王 克，陸家明

（杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

一種新型的超寬帶六端口結(jié)的設(shè)計*

王 克，陸家明

（杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

六端口電路技術(shù)是一種重要的無源網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通常由一個功分器和三個耦合器構(gòu)成，最初在微波測量和網(wǎng)絡(luò)分析儀等系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。以六端口理論和前人的設(shè)計經(jīng)驗為基礎(chǔ)，利用HFSS軟件分別設(shè)計了一種新的寬帶功分器和耦合器，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型的6～18 GHz的超寬帶六端口結(jié)，同時對其進(jìn)行了加工測試。仿真和實測結(jié)果表明，該寬帶六端口結(jié)達(dá)到了設(shè)計要求。

六端口；功分器；耦合器；接收機(jī)；

0　引 言

六端口電路技術(shù)是由Hoer等人在1972年提出來的。由于六端口結(jié)電路（六端口網(wǎng)絡(luò)或六端口相關(guān)器）只是由無源器件構(gòu)成，并且通過全微帶線電路實現(xiàn)，因此結(jié)構(gòu)非常簡單，而且價格非常低廉。六端口技術(shù)可以將高頻信號直接解調(diào)得到基帶信號，減少了混頻器的使用，使得電路實現(xiàn)變得容易，在微波通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。六端口結(jié)是六端口直接變頻接收機(jī)[2]的核心部件。最基本的六端口結(jié)可以由Wilkinson功分器和四端口的分支線耦合器組合而成[3-4]。本文設(shè)計了一種新型的異面反向功分器和寬帶縫隙耦合器，實現(xiàn)了一種超寬帶六端口結(jié)的設(shè)計，極大擴(kuò)展了帶寬。

1　異面反向功分器的設(shè)計

考慮到功分器的帶寬問題，傳統(tǒng)的Wilkinson功分器通過節(jié)數(shù)的增多達(dá)到帶寬擴(kuò)展的目的[5]。文獻(xiàn)[6]用了七節(jié)的Wilkinson功分器，即采用七節(jié)的切比雪夫阻抗變換線，通過增加節(jié)數(shù)來擴(kuò)展帶寬，在2～12 GHz范圍內(nèi)具有良好的性能。但隨著節(jié)數(shù)的增加，在非常小的面積中實現(xiàn)多個節(jié)數(shù)的變化，要求制作的工藝甚至達(dá)到0.001 mm的級別。這大大增加了制作難度和成本投入。為了克服Wilkinson功分器多節(jié)難以實現(xiàn)的問題，本文提出了一種新型的異面反向功分器。它可以通過饋線的進(jìn)入方向，實現(xiàn)180°的相位差，保持了反相的特性。仿真和實物實驗結(jié)果顯示性能良好。

這種新型的異面反相功分器包含兩層的介質(zhì)基板。微帶線分別位于兩層介質(zhì)基板的上下面，上層包含兩條微帶線，一條輸入饋線和一條輸出饋線，下層包含一條輸出饋線。兩層介質(zhì)基板中間是公共地平面，公共地中間開了槽線，用于輸入信號到輸出信號的耦合，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

令微帶線寬度為wm，微帶線圓形直徑為dm，槽線寬度為ws，槽線長度為ls，槽線圓形直徑為ds。其中，微帶線寬度由基板相對介電常數(shù)和50 Ω特征阻抗決定。通過減小dm和ds的大小，工作頻帶會往高頻偏移，同時伴隨有輸出端插入損耗的增加。槽線寬度ws的減小，可以減小回波損耗。但是，考慮到加工的精度問題，槽線寬度必須在加工精度內(nèi)。

選用Rogers RO4350B的介質(zhì)基板，相對介電常數(shù)為3.66，厚度為0.254 mm。通過相關(guān)計算[7]和軟件仿真優(yōu)化得到功分器參數(shù)，wm=0.55 mm，dm=1.8 mm，ds=1.8 mm，ws=0.1 mm，ls=1.5 mm，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2　異面反相功分器回波損耗和插入損耗曲線

從仿真結(jié)果可以看出，在6～18 GHz范圍內(nèi)，輸出幅度為-4.0±0.8 dB，回波損耗優(yōu)于-12 dB，性能優(yōu)良。

2　新型微帶縫隙耦合器的設(shè)計

考慮到功分器的帶寬問題，傳統(tǒng)的Wilkinson功分器通過節(jié)數(shù)的增多，達(dá)到帶寬擴(kuò)展的目的[5]。文獻(xiàn)[6]用了七節(jié)的Wilkinson功分器，即采用七節(jié)的切比雪夫阻抗變換線，通過增加節(jié)數(shù)來擴(kuò)展帶寬，在2～12 GHz范圍內(nèi)具有良好的性能。但隨著節(jié)數(shù)的增加，在非常小的面積中實現(xiàn)多個節(jié)數(shù)的變化，要求制作的工藝甚至達(dá)到0.001 mm的級別，這大大增加了制作難度和成本投入。

傳統(tǒng)的分支線耦合器一般為單層的微帶線板構(gòu)成，其耦合器一般為窄帶的，帶寬很難達(dá)到寬帶的要求。研究發(fā)現(xiàn)，多節(jié)偏置帶狀線結(jié)構(gòu)十分容易達(dá)到耦合器的寬帶，但耦合度低，不能實現(xiàn)3 dB的強耦合。文獻(xiàn)[8]實現(xiàn)了由多個弱耦合器串聯(lián)組成一個強耦合器。文獻(xiàn)[6]實現(xiàn)了一個9節(jié)交叉串聯(lián)耦合器。雖然交叉串聯(lián)耦合器使得耦合器的耦合性能從弱耦合變?yōu)榱? dB的強耦合性能，但是也帶來了一些問題。多節(jié)耦合器要求的加工精度非常高，而且因為其為多層結(jié)構(gòu)，層與層之間通過壓合組合在一起，難以避免在層間出現(xiàn)微小的氣泡，從而影響高頻信號的傳輸。

本文提出了一種新型的微帶縫隙耦合器，通過微帶縫隙實現(xiàn)微帶線的寬邊耦合，不僅能夠達(dá)到3 dB緊耦合的要求，并且具有較寬的帶寬，而且解決了多層壓合出現(xiàn)縫隙和較多過孔鉆取導(dǎo)致性能變差的問題。

新型的微帶縫隙耦合器具有兩層介質(zhì)基板，兩層介質(zhì)基板中間是矩形開槽的公共地。耦合器的微帶線位于兩層基板的上下兩面，具有對稱結(jié)構(gòu)，通過中間的矩形開槽實現(xiàn)寬邊耦合。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　單節(jié)微帶矩形縫隙耦合器模型

圖3為單節(jié)的微帶矩形縫隙耦合器。其中，微帶線的寬度為w1，公共地矩形開槽的寬度為w2，長度均為l，介質(zhì)基板厚度為h。通過奇偶模分析方法對該耦合器進(jìn)行分析，則微帶矩形縫隙耦合器的微帶寬度w1、開槽寬度w2和奇偶模阻抗存在下述關(guān)系：

式中，Z0o是奇模阻抗，Z0e是偶模阻抗，εr是介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)，K(k)是第一類橢圓積分函數(shù)，且k1和k2則可以通過下面的公式獲得：

通過高斯-牛頓迭代法，根據(jù)給定的奇偶模特征阻抗Z0e和Z0o，求得微帶寬度w1和開槽寬度w2。耦合長度l可以根據(jù)波長求得：

式中λe是介質(zhì)中的波長，λ0是自由空間中的波長。

為了進(jìn)一步提升帶寬和降低矩形微帶線帶來的不連續(xù)性，本文提出一種新的改進(jìn)方法：將參與耦合的矩形微帶和矩形縫隙改成橢圓形。

將矩形改造成橢圓形，可以依據(jù)面積相等的準(zhǔn)則，設(shè)計參數(shù)如下：

式中，D3是橢圓的長度，D1是橢圓微帶線的寬度，D2是橢圓縫隙的寬度，計算的數(shù)據(jù)均為模型的初始值，仿真過程需要通過數(shù)據(jù)的反復(fù)迭代進(jìn)行優(yōu)化。

采用矩形微帶的耦合器的輸出幅度S21和S31具有明顯的弧度，而采用橢圓結(jié)構(gòu)后，輸出幅度則變得更加平坦，幅度平衡度也由矩形的±1.8 dB變成了橢圓的±1.0 dB。同時，在回波損耗和隔離度方面，采用矩形微帶結(jié)構(gòu)的耦合器隨著頻率的升高，性能變差；而橢圓微帶結(jié)構(gòu)的耦合器在整個頻帶內(nèi)優(yōu)于-20 dB?？梢?，橢圓結(jié)構(gòu)顯著提升了耦合器的性能。

考慮到寬帶的要求，本文提出將微帶橢圓縫隙耦合器由原來的一節(jié)提升為三節(jié)，以得到更好的寬帶特性，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

多節(jié)耦合器的設(shè)計步驟如下：

（1）根據(jù)文獻(xiàn)[9]，查表獲得各節(jié)的奇偶模特征阻抗，并經(jīng)過計算得到各節(jié)的耦合度C；

（2）根據(jù)奇模特性阻抗，計算出各節(jié)微帶線的寬度W；

（3）根據(jù)λe/4，計算出各節(jié)的長度L；

（4）根據(jù)每節(jié)的耦合度C，通過HFSS軟件優(yōu)化得到各節(jié)縫隙寬度G；

（5）組成三節(jié)的微帶縫隙耦合器，并進(jìn)行橢圓改造。

圖4　三節(jié)微帶橢圓縫隙耦合器結(jié)構(gòu)

這里選用了Rogers RO4350B的介質(zhì)基板，相對介電常數(shù)為3.66，厚度為0.254 mm。根據(jù)上述步驟，得到各級的耦合線數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　三節(jié)微帶耦合器各節(jié)參數(shù)

根據(jù)計算得到的參數(shù)，在HFSS軟件里面進(jìn)行建模，并仿真得到測試結(jié)果，如圖5所示。

圖5　橢圓縫隙耦合器回波損耗、隔離度和插入損耗曲線

由圖5可知，節(jié)數(shù)增加到三節(jié)后，回波損耗S11和隔離度S41特性曲線的波紋增加，有效提高了帶寬，且輸入端口的回波損耗和隔離度在整個工作帶寬內(nèi)均優(yōu)于-22 dB。因此，通過增加節(jié)數(shù)和橢圓化的方法，對普通的微帶矩形縫隙耦合器進(jìn)行改進(jìn)，得到了更好的寬帶特性。

3　超寬帶六端口結(jié)的電路實現(xiàn)

將異面反相功分器和三節(jié)的微帶橢圓縫隙耦合器進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，得到了具有寬帶特性的雙層六端口結(jié)。通過HFSS軟件完成三維仿真建模，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　新型的寬帶六端口結(jié)結(jié)構(gòu)

由于功分器和耦合器都采用了兩層基板的結(jié)構(gòu)，可以方便地進(jìn)行連接適配，不需要采用過孔的連接方式，因此保證了傳輸性能。介質(zhì)基板依然采用Rogers RO4350B，兩層0.254 mm厚度的基板上下疊加，中間為公共地，分別在功分器和耦合器的位置上開槽，以保證上下層微帶之間的耦合。上層包含三條微帶線，下層包含兩條微帶線，上下層微帶線之間間隔為0.508 mm。加工成實物，如圖7所示。圖7展示了六端口結(jié)構(gòu)的上下層電路板以及通過螺絲壓合并安裝上SMA頭后的整體結(jié)構(gòu)。可見，整個結(jié)構(gòu)非常緊湊。

圖7　新型的寬帶六端口實物

4　實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

圖8、圖9和圖10依次為六端口回波損耗和隔離度曲線、六端口幅度特性曲線和六端口相位特性曲線。

從測試結(jié)果可以看出，在6～18 GHz的頻帶范圍內(nèi)，六端口結(jié)的回波損耗和隔離度均優(yōu)于-20 dB。幅度特性較為平坦，端口1對應(yīng)的實測輸出幅度為-8.6±2.4 dB。以端口4的相位為參考相位，分別測得端口3、5、6與端口4的相位差為SΔ32、SΔ52、SΔ62。從相位特性曲線可以看出，在6～18 GHz頻帶內(nèi)，相位特性曲線較為平坦，相位不一致性，但仍然可以保持在±3°以內(nèi)，整體的平均值接近90°的整數(shù)倍，滿足實際要求。

圖8　六端口回波損耗和隔離度曲線

圖9　六端口幅度特性曲線

圖10　六端口相位特性曲線

該六端口結(jié)的實測結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定偏差，由于工作頻段較寬，中心頻率達(dá)到了12 GHz，整體尺寸較小，誤差主要由SMA連接器焊接等因素造成。需注意的是，由加工造成的誤差可以在后期的校準(zhǔn)中得到有效控制。

5　結(jié) 語

六端口結(jié)電路因其成本低廉、頻帶廣、結(jié)構(gòu)簡單等特點，在通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是寬頻帶特性，使其在軟件無線電接收機(jī)中具有重要的地位。本文設(shè)計的一種新型超寬帶六端口結(jié)電路，覆蓋了6～18 GHz的帶寬寬度，且實驗表明其具有較好的幅度和相位特性。

[1] Talai A,Mann S,Weigel R,et al.Water TemperatureMeasurement by Microwave Six-port Interferometry at 24 GHz[C].2014.

[2] Hoer C A.The Six-Port Coupler:A New Approach to Measuring Voltage,Current,Power,Impedance,and Phase[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Mea surement,1972,21(04):466-470.

[3] Ghannouchi F M,Mohammadi A.The Six-port Technique with Microwave and Wireless Applications[M].Artech House,2014.

[4] 彭浩.基于六端口技術(shù)的直接變頻接收機(jī)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2013. PENG Hao.Study of Direct Conversion Receiver based on the Six-Port Technology[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2013.

[5] 伍舉.寬帶六端口電路中的器件研制[D].成都:電子科技大學(xué),2012. WU Ju.The Development of Devices on Broadband Sixport Circuit[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2012.

[6] 祁浩,汪立新,陸家明.一種寬帶微波六端口結(jié)的設(shè)計[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016(02):32-36. QI Hao,WANG Li-xin,LU Jia-ming.Design of a Broadband Microwave Six-port Juction[J].Journal of Hangzhou Dianzi University,2016(02):32-36.

[7] Shuppert B.Microstrip/slotline Transitions:Modeling and Experimental Investigation[J].Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on,1988,36(08):1272-1282.

[8] Gruszczynski S,Wincza K.Broadband Multisection Asymmetric 8.34-dB Directional Coupler with Improved Directivity[C].2007.

[9] Cristal E G,Young L.Theory and Tables of Optimum Symmetrical TEM-mode Coupled-transmission-line Directional Couplers[J].Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on,1965,13(05):544-558.

王 克（1990—），男，碩士，主要研究方向為軟件無線電；

陸家明（1991—），男，碩士，主要研究方向為軟件無線電。

Novel Design of Broadband Six-port Junction

WANG Ke, LU Jia-ming
(School of Communication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou Zhejiang 310018, China)

Six-port circuit technology, as an important passive network composed with a power divider and three couplers, is widely applied to the measurement and network analyzer in the microwave and other systems in the early stage. Based on six-port theory and the experience of predecessors and with HFSS software, a new broadband power divider and coupler is designed, and on this basis a novel 6～18GHz ultra wideband six-port junction implemented. Simulation and experimental results indicate that the broadband six port junction could meet the design requirements.

six-port; power divider; coupler；receiver

TN62

A

1002-0802(2016)-08-01088-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.08.025

2016-04-19;

2016-07-25

date:2016-04-19;Revised date:2016-07-25