Developments facilitating high-volume applications of six-port reflectometers: robust calibration algorithm, reflectometer having very large bandwidth and reflectometer realized in MMIC technology
Développements pour des applications grand public du réflectomètre six-portes : algorithme de calibrage robuste, réflectomètre à très large bande et réflectomètre intégré MMIC
Abstract
One of the advantages of the six-port reflectometer with respect to other systems which measure the same quantities is its very simple structure: it is essentially a linear circuit with six ports, four of which are connected to power detectors. In consequence, it can be realized much more easily and with lower costs than these other types of instruments which generally require more sophisticated components as for example high quality mixers.
After calibrating the six-port reflectometer, it is possible to calculate the reflection coefficient of the device under test or the ratio in terms of amplitude and phase between two different signals, as well as information about the precision of these values, from the electrical powers measured by the four detectors. One can say that numerical calculations using a computer replace the need for a very sophisticated measurement circuit which permits to obtain the results in a more direct way.
In spite of the considerable advantage presented by the simplicity of the circuit, six-port reflectometers are to this day mostly used in metrology laboratories because of the high measurement precision they allow to achieve; however, they are very little used in commercial products, except very specialized applications. There are several reasons for this, among others the rather narrow frequency span of most six-port reflectometers, the large dimensions of certain structures which often contain several directional couplers, as well as problems which may appear in certain situations during the calibration procedure.
In this thesis, we present several developments to solve these problems in order to make possible the implementation of six-port reflectometers in high-volume industrial products. First, we introduce a very robust calibration algorithm which eliminates the problems which the algorithms used before might present in certain situations. Next, we give details about our newly developed six-port reflectometer in low-cost hybrid technology with a surface of 20 cm² including the power detectors, which has a very large frequency span, from 1.5 MHz to 2200 MHz. Finally, we present a six-port reflectometer we have realized in monolithic microwave integrated circuit (MMIC) technology. This circuit occupies a surface of 2.2 mm² including the detectors and functions between 1.3 GHz and 3.0 GHz. It is most accurate around the frequency of 1.8 GHz, the frequency of the new mobile phone series DCS 1800.
All these developments should greatly facilitate the use of six-port reflectometers in industrial applications aimed at the general public such as security distance radars for automobiles or digital demodulators for mobile phones. We hope that the results of our work will help to convince a larger number of companies of the advantages of this still relatively new device.
L'un des avantages du réflectomètre six-portes par rapport aux autres systèmes qui mesurent les mêmes quantités est sa structure très simple : il s'agit essentiellement d'un circuit linéaire avec six accès dont quatre sont connectés à des détecteurs de puissance. Il est donc beaucoup plus facile à réaliser et moins coûteux que les autres types de système qui nécessitent généralement des composants plus sophistiqués comme par exemple des mélangeurs de bonne qualité.
Après un calibrage du réflectomètre six-portes, il est possible de calculer le facteur de réflexion du dispositif sous test ou le rapport en module et phase entre deux signaux différents ainsi que des informations sur la précision de ces valeurs à partir des puissances mesurées par les quatre détecteurs. On peut donc dire que le calcul numérique à l'aide d'un ordinateur remplace le besoin de disposer d'un circuit de mesure très sophistiqué qui permet d'obtenir les résultats d'une manière plus directe.
Malgré cet avantage considérable que présente la simplicité du circuit, les réflectomètres six-portes sont à ce jour surtout utilisés dans des laboratoires de métrologie en raison de la bonne précision des mesures qu'ils permettent de réaliser ; par contre, leur emploi dans des produits commercialisés est très faible et concerne principalement des applications très spécialisés. Il existe plusieurs raisons pour ce fait, entre autres la bande de fréquences assez réduite dans laquelle fonctionnent la plupart des réflectomètres six-portes, l'encombrement de certaines de ces structures qui contiennent souvent plusieurs coupleurs directifs, et aussi des problèmes qui peuvent apparaître dans la procédure de calibrage du système dans certaines situations.
Dans cette thèse, nous présentons donc plusieurs développements pour résoudre ces problèmes afin de rendre possible une utilisation des réflectomètres six-portes à plus grande échelle dans des produits industriels. Il s'agit d'abord d'un algorithme de calibrage très robuste qui élimine les difficultés que pouvaient présenter dans certaines situations les algorithmes utilisés auparavant. Puis, nous avons développé un réflectomètre six-portes en technologie hybride à bas coût avec une surface de 20 cm² incluant les détecteurs de puissance, qui fonctionne sur une très large bande de fréquences, de 1.5 MHz à 2200 MHz. Finalement, nous présentons un réflectomètre six-portes que nous avons réalisé en technologie intégrée monolithique MMIC. Le circuit occupe une surface de 2.2 mm² incluant les détecteurs et fonctionne entre 1.3 GHz et 3.0 GHz. Ses meilleures caractéristiques se trouvent autour de la fréquence de 1.8 GHz, la fréquence de la nouvelle gamme de radiomobiles DCS 1800.
Tous ces développements devraient beaucoup faciliter l'utilisation des réflectomètres six-portes dans des applications industrielles destinées à un grand public comme des radars de sécurité pour les automobiles ou des démodulateurs numériques pour les radiomobiles. Nous espérons que les résultats de notre travail aideront à convaincre un plus grand nombre de fabricants des avantages de ce dispositif encore relativement nouveau.