(1.空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院，陜西 三原 713800；2.毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；3.桂林空軍學(xué)院，廣西 桂林 541003)

1 引 言

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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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[1]。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(diǎn)。隨后，Engen和Hoer證明了任意一個六端口網(wǎng)絡(luò)在其4個輸出端接上功率計(jì)后，則其2個輸入端口的信號都可以用4個功率計(jì)讀數(shù)的線性函數(shù)表示，且被測端口處的阻抗和反射系數(shù)也可以表示成標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)與功率計(jì)讀數(shù)乘積和的復(fù)數(shù)比，而他們在X頻段所做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與傳統(tǒng)的反射計(jì)測量的結(jié)果相一致。六端口技術(shù)在1977年取得了突破性的進(jìn)展[2]。這一年發(fā)表了許多論文，比如Engen關(guān)于六端口技術(shù)的總結(jié)性文章，給出了六端口反射計(jì)的幾何解釋，并據(jù)此給出了最佳六端口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；還有Weidman報(bào)告的5 070 GHz半自動網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試結(jié)果以及Hoer的雙六端口自動網(wǎng)絡(luò)分析儀理論。這些論文第一次系統(tǒng)地闡述了六端口的理論背景，并提供了六端口電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的指導(dǎo)準(zhǔn)則，奠定了六端口技術(shù)的基礎(chǔ)。

在保持寬頻帶、高精度、自動化的前提下，六端口技術(shù)直接采用任意的微波網(wǎng)絡(luò)，用幅度測量代替相位測量，測量過程簡單,并可以采用合適的校準(zhǔn)程序來彌補(bǔ)硬件的非理想性，極大地降低了自動網(wǎng)絡(luò)分析儀的成本和對微波元器件加工精度的要求[3]。如今六端口在微波網(wǎng)絡(luò)測量以外的領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣，典型的表現(xiàn)是將六端口電路用于直接變頻接收機(jī)[4]。六端口電路通過直接解調(diào)得到中頻信號，節(jié)省了混頻器，減少了電路復(fù)雜性，從而使整個前端電路除了本振外，完全是由無源器件構(gòu)成，體積小，便于集成，易于寬帶工作。這些優(yōu)點(diǎn)使得六端口接收機(jī)在軟件無線電、波達(dá)方向、極化測量、雷達(dá)測速測距等方面得到了迅速的發(fā)展。

2 六端口測量技術(shù)

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[2]。如圖1所示，六端口系統(tǒng)是一個線性的6個端口的系統(tǒng)，一般情況下，其中一個端口接待測元件，一個端口接信號源，而剩下的4個端口接功率計(jì)(D1～D4)。其中待測元件的反射系數(shù)Г就是我們所要測量的值。由于六端口系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，所以4個輸出端口的電壓均可以表示成2個輸入端口電壓的線性函數(shù)。取其中一個輸出端口作為參考端口，另外3個輸出端口的功率Pi與反射系數(shù)Γ的關(guān)系則可以用反射系數(shù)平面上的3個圓表示，圓心和半徑都是π的函數(shù),而Γ就是3個圓共同的交點(diǎn)，從而通過計(jì)算就可以得到待測元件的反射系數(shù)。

六端口測量技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)有了很多的結(jié)構(gòu)。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(yàn)準(zhǔn)則[3],即要使六端口系統(tǒng)能準(zhǔn)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(shí)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(yàn)準(zhǔn)則，但是只要近似符合經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)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(yàn)準(zhǔn)則的指導(dǎo)下，運(yùn)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)[4],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(zhǔn)理想六端口電路。

圖1 六端口基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of six-port

圖2 Engen的準(zhǔn)理想六端口電路Fig.2 Ideal six-port circuit of Engen

3 六端口的應(yīng)用

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(diǎn),將其應(yīng)用于接收機(jī),認(rèn)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(jìn)而得到接收信號所包含的回波或通信信息[5-6]；或者使用雙接收天線和功分器，得到兩路接收信號，進(jìn)而測量兩路接收信號之間的相位關(guān)系，從而得到波達(dá)方向和散射目標(biāo)的散射特性[7-8]。

3.1 軟件無線電

MSK(包括QPSK、16QAM等)通過載波信號的相位進(jìn)行調(diào)制，使其相位變化包含通信信息，在接收機(jī)通過對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)，得出相位信息并進(jìn)而得到通信信息。由于六端口測量技術(shù)具有精確的測量相位的能力，因此六端口直接變頻接收機(jī)可以在射頻對接收信號進(jìn)行解調(diào)，從而得出接收信號的相位信息以及通信信息。不管是傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)，還是直接變頻接收機(jī)和中頻接收機(jī)，混頻器和濾波器使得這些接收機(jī)在毫米波和亞毫米波頻段價格昂貴且很難實(shí)現(xiàn)高的集成度。而六端口直接變頻接收機(jī)則可以省去這些器件，從而可以大大簡化電路的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)高的集成度。與此同時，六端口直接變頻接收機(jī)還可以應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)，并將載波與時鐘同步植入校準(zhǔn)程序當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)多種調(diào)制方式和多模工作。

雖然六端口直接變頻接收機(jī)的研究工作最早開始于20世紀(jì)90年代，但是取得的成就是令人矚目的。X. Z. Xiong和V. F. Fusco實(shí)現(xiàn)了基于六端口技術(shù)的QPSK信號直接變頻接收機(jī)，采用雙頻調(diào)校準(zhǔn)，該接收機(jī)可以在0.9～5.0 GHz頻帶范圍內(nèi)對射頻的數(shù)字調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)，且工作頻率低于3 GHz時的噪聲系數(shù)小于3 dB, 由相位正交性所產(chǎn)生的相位誤差低于2°[9]。Serioja O. Tatu和Emilia Moldovan等人實(shí)現(xiàn)了頻段為26～28.5 GHz的六端口直接變頻接收機(jī)，其芯片大小只有2 mm×3 mm,且應(yīng)用載波恢復(fù)技術(shù)得到誤碼率低于1×10-6的動態(tài)范圍超過60 dB[10]。張?zhí)m、馮科錦等人對射頻六端口網(wǎng)絡(luò)在射頻上直接解調(diào)各類調(diào)制信號的普遍適用性進(jìn)行了理論分析，并對QPSK、16QAM和π/4QPSK 3種調(diào)制制式使用計(jì)算機(jī)仿真對適用性進(jìn)行了驗(yàn)證[11]。這些理論研究和試驗(yàn)結(jié)果證明了六端口網(wǎng)絡(luò)解調(diào)MSK調(diào)制信號的優(yōu)良性能。

3.2 波達(dá)方向

Toshiyuki Yakabe和Fengchao Xiao等人于2001年實(shí)現(xiàn)了工作于X頻段的六端口波達(dá)方向測量系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)使用雙喇叭天線作為接收天線。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果之間的偏差值低于0.42%，從而充分證明了六端口測量波達(dá)方向的可行性與精確度。

如圖3所示，兩個射頻輸入信號之間的相位差Δφ與路徑差Δx之間的關(guān)系可以表示為

(1)

這樣就可以由式(1)得到入射波的角度：

(2)

但是如果兩個射頻信號的路徑差為零或?yàn)椴ㄩL的整數(shù)倍，兩個射頻入射信號則會同相到達(dá)。因此，為了消除模糊度，兩個接收天線的擺放間距d可選為半個工作波長。于是式(2)變?yōu)?/p>

(3)

圖3 幾何模型平面示意圖Fig.3 The schematic plan view of the geometrical model

圖4 六端口波達(dá)方向測量結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The block diagram of the beam direction finding circuit

兩路射頻接收信號經(jīng)過低噪聲放大器輸入到六端口射頻電路的輸入端口，經(jīng)過檢波、放大和信號處理并得到基帶的復(fù)反射系數(shù)Γ，再根據(jù)式(3)就可以得到和波達(dá)方向有關(guān)的入射射頻信號的相位差。其中如果矢量Γ的虛部為零，則兩射頻輸入信號是同相輸入。

兩射頻通道不可避免存在相位差，為了補(bǔ)償這個相位差，需要在1通道插入一個可調(diào)移相器進(jìn)行初始相位校準(zhǔn)?；诹丝诶碚?，初始相位校準(zhǔn)后，當(dāng)波束到達(dá)角θ=0°時，矢量Γ的虛部為零。相位差為零，Q支路的信號值為零這個結(jié)論提供了兩種非常簡單可行的測量方案[12]：一種是利用控制元件調(diào)節(jié)可調(diào)移相器得到Q支路最小值點(diǎn)的移相器相位，并與初始相位校準(zhǔn)時的相位差進(jìn)行計(jì)算從而得到波束方向。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只需可調(diào)移相器控制電路和簡單的計(jì)算，測量系統(tǒng)就可自動得到波束到達(dá)角度；另一種就是讓整個波達(dá)方向測試系統(tǒng)或者僅接收天線在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，測試Q支路的最小值點(diǎn)對應(yīng)的方向即為波束方向。這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是無需通過計(jì)算，直接用簡單的電路即可測得波束到達(dá)角度。

3.3 極化與目標(biāo)極化散射矩陣測量

借助雙極化天線，六端口極化測量儀就可以測量入射波的極化狀態(tài)，并且也可以用來測量散射目標(biāo)極化散射矩陣。文獻(xiàn)[7]提出的六端口極化測試系統(tǒng)可工作于7～17 GHz。

基于六端口分析理論，可以將六端口結(jié)構(gòu)簡化成四端口結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[3]。通過六端口結(jié)構(gòu)的4個功率計(jì)的讀數(shù)得到的反射計(jì)輸出信號b的復(fù)比可以表示為

b=Mb′

(4)

式中，b′和b是六端口網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出信號；M是誤差校正矩陣，由六端口的參數(shù)所決定。

(a)六端口極化測量儀結(jié)構(gòu)圖

(b)六端口散射計(jì)結(jié)構(gòu)圖圖5 六端口極化測量儀和散射計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of six-port polarmetric

(1)六端口極化測量儀

b=Mb′=MRb″=R′b″

(5)

式中,R是校準(zhǔn)所得到的雙極化接收天線的傳輸矩陣。所以入射波的垂直分量與水平分量組成的矩陣b″就可由b″=R′-1b決定,從而得到入射波的極化狀態(tài)。

(2)六端口散射計(jì)

如圖5(b)所示，六端口散射計(jì)的發(fā)射信號a′與接收信號b之間關(guān)系可以表示為

b=R′STa′

(6)

式中，T是雙極化發(fā)射天線的傳輸矩陣，S就是需要測量的散射目標(biāo)的極化散射矩陣。通常利用圖5(b)中的功分器來得到3個已知極化的發(fā)射信號a′來確定R′ST。但在實(shí)際中很難產(chǎn)生已知極化的發(fā)射信號，所以文獻(xiàn)[7]提出了一種新的不需要確定發(fā)射信號a′的極化狀態(tài)就可以得到散射目標(biāo)的極化散射矩陣的測量方法。實(shí)際發(fā)射信號a′和發(fā)射信號a的關(guān)系式為a′=Na，N是功分器環(huán)路的轉(zhuǎn)移矩陣。式(6)就可以表示為

b=R′STNa=R′ST′a=Sma

(7)

(8)

展開為

(9)

3.4 六端口雷達(dá)測速測距

雷達(dá)是利用目標(biāo)對電磁波的二次散射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的，雷達(dá)回波信號包含了目標(biāo)的距離、速度等信息。利用六端口系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測得反射系數(shù)Γl的模值和相角的特性，令回波信號與發(fā)射信號的比值為反射系數(shù)Γl，利用六端口系統(tǒng)來測量Γl，便可得到回波信號所包含的目標(biāo)信息。

圖6 六端口雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The schematic view of six-port radar structure

基于六端口技術(shù)的多普勒雷達(dá)使用發(fā)射機(jī)耦合過來的一部分發(fā)射信號和目標(biāo)回波信號作為六端口結(jié)的兩個輸入信號。由推導(dǎo)可得目標(biāo)回波信號反射系數(shù)為

Γl=(r/s)ej(ωdt-φ)

(10)

式中，|r|與|s|為接收信號與發(fā)射信號的幅度。由此可見,多普勒頻率ωd表示Γl圓旋轉(zhuǎn)的速率, 可以通過測量相同載波頻率下兩點(diǎn)相位差的變化率得到。因此，只要通過六端口系統(tǒng)測得反射系數(shù)的相位變化率,就可以得到目標(biāo)的多普勒頻率,進(jìn)而得到目標(biāo)的相對速度。而多普勒頻率的正負(fù)則可由Γl圓的旋轉(zhuǎn)方向決定。文獻(xiàn)[13]表明，即使在超低速(0.2 mm/s) 環(huán)境中，這種基于六端口技術(shù)的多普勒雷達(dá)的測量精度也是可以接受的。

基于六端口技術(shù)的微波精確測距雷達(dá)也是惡劣環(huán)境中進(jìn)行不接觸測量的一個很好選擇。六端口精確測距雷達(dá)采用數(shù)控步進(jìn)調(diào)頻連續(xù)波(FSCW)，其目標(biāo)距離的測量被分為兩部分：首先，利用FMCW進(jìn)行粗測，以消除距離模糊，并得到λ/4的測量精度；然后，利用CW進(jìn)行精測，以提高測量精度。并通過頻率計(jì)數(shù)器和壓控振蕩器控制發(fā)射機(jī)，對產(chǎn)生的信號頻率進(jìn)行修正以提高掃頻的線性度。文獻(xiàn)[14]中采用數(shù)控步進(jìn)調(diào)頻連續(xù)波(FSCW)的六端口雷達(dá)在0.5～1 m距離內(nèi)的測距精度可以達(dá)到0.1 mm。

基于六端口技術(shù)的汽車防撞雷達(dá)也有很大優(yōu)勢。目前已有的防撞雷達(dá)中調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)占了大多數(shù)，由于其射頻結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)射功率小，因而受到重視。但是在高精度高分辨率的要求下，F(xiàn)MCW雷達(dá)很難得到較高的調(diào)頻線性度和較寬的調(diào)頻范圍，另外，無法確定目標(biāo)相對運(yùn)動的方向也阻礙了FMCW雷達(dá)的普及。而基于六端口技術(shù)的防撞雷達(dá)則可以克服這些缺點(diǎn)。六端口電路可以直接在射頻進(jìn)行測量,可以由單片微波集成電路進(jìn)行集成,避免了采用昂貴的超外差式接收機(jī)和鑒相器，且在距離和相對速度的測量方面有著相當(dāng)高的精確度。文獻(xiàn)[15]表明工作頻率為2 GHz、35 GHz、94 GHz的基于六端口技術(shù)的防撞雷達(dá)已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn),體積小、成本低、較高的距離和相對速度的測量精度是它們共同的特點(diǎn)。

4 總 結(jié)

六端口測量技術(shù)用幅度測量代替相位測量,使得測量過程簡單,且測量精度高，掀起了測量領(lǐng)域的一場革命。而六端口技術(shù)接收機(jī)可以直接在射頻行測量,避免了采用昂貴的超外差式接收機(jī)和鑒相器。另外,六端口電路可以由單片微波集成電路進(jìn)行集成,體積小,成本低。這些優(yōu)點(diǎn)使得六端口接收機(jī)在軟件無線電、波達(dá)方向、極化測量方面得到了迅速的發(fā)展。此外，六端口雷達(dá)作為一種新型的測速測距雷達(dá)，相比較傳統(tǒng)測速測距雷達(dá)，在距離和相對速度的測量方面有著相當(dāng)高的精確度，且體積小、成本低、易于集成，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] Hoer C A. The Six-Port coupler: A New Approach to Measuring Voltage Current, Power, Impedance and Phase [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology, 1972, 12(4): 466-470.

[2] Vladimir Bilik. Six-Port Measurement Technique: Principles, Impact, Applications[M]. Bratislava, Slovakia：Slovak University of Technology,1998.

[3] 湯世賢.微波測量(修訂版)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1992.

TANG Shi-xian. Microwave Measurement[M]. Beijing:Beijing University of Science and Technology Press,1992.(in Chinese)

[4] YU Jae-du, BAN Kyung-sig, Shin Choo-yeon,et al. Various six-port correlators using coupler and power divider[C]//Proceedings of the 2008 Second International Conference on Future Generation and Networking.Washington,DC:IEEE,2008: 445-448.

[5] Thomas Eireiner, Tobias Schnurr, Thomas Müller. Integration of a Six-Port Receiver for mm-Wave Communication[C]//Proceedings of IEEE Melecon.[S.l.]:IEEE,2006:371-376.

[6] 楊健,劉發(fā)林.六端口技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2005,3(2)：71-76.

YANG Jian, LIU Fa-lin. A New Radar Based on Six-Port Technology[J]. Radar Science and Technology, 2005,3(2): 71-76.(in Chinese)

[7] CHEN Tzong-Jyh,CHU Tah-Hsiung. Calibration and Measurement of a Wideband Six-Port Polarimetric Measurement System[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1997, 45(7): 1080-1085.

[8] Toshiyuki Yakabe, Xiao Fengchao, Kenji Iwamoto, et al. Six-Port Based Wave-Correlator with Application to Beam Direction Finding[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2001,50(2): 377-379.

[9] Xiong X Z,Fusco V F.Wideband 0.9GHz to 5GHz six-port and its application as digital modulation receiver[J].IEE Microwaves,Antennas and Propagation，2003,150(4):301-307.

[10] Serioja Ovidiu Tatu, Emilia Moldovan, Gailon Brehm, et al. Ka-Band Direct Digital Receiver[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2002,50(11)：2436-2442.

[11] 張?zhí)m，王兵，馮科錦.射頻六端口網(wǎng)絡(luò)在軟件無線電中的應(yīng)用[J].通信學(xué)報(bào),2005, 26(9)：79-84.

ZHANG Lan，WANG Bing，F(xiàn)ENG Ke-jin. Application of microwave six-port in software radio[J]. Journal on Communiactions，2005, 26(9)：79-84.(in Chinese)

[12] Serioja O Tatu,Tayeb A Denidni.A New Beam Direction Finding Circuit Based on Six Port Technology[C]//Proceedings of IEEE MTTS International Conference.New York,NC:IEEE,2005:581-584.

[13] XIAO Fengchao,Ghannouchi F M,Yakabe T.Application of a Six-Port Wave-Correlator for a Very Low Velocity Measurement Using the Doppler Effect[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2003,52(2):297-301.

[14] Andreas Stelzer, Christian Diskus, Kurt Lubke,et al. A Microwave Position Sensor with Submillimeter Accuracy[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1999,47(12): 2621-2624.

[15] Emilia Moldovan, Serioja-Ovidiu Tatu, Tamara Gaman. A New 94-GHz Six-Port Collision-Avoidance Radar Sensor[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2004, 52(3): 751-759.