微帶六端口網絡的工藝健壯性分析

黃振華，高　楊，蔡　洵

（1.西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010；2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽621999；3.重慶大學新型微納器件與系統技術國防重點學科實驗室，重慶400044；4.重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶400044）

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微帶六端口網絡的工藝健壯性分析

黃振華1，2，高楊2，3，蔡洵1，4

（1.西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010；2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽621999；
3.重慶大學新型微納器件與系統技術國防重點學科實驗室，重慶400044；4.重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶400044）

摘要：為確保微帶六端口網絡能替代矢量網絡分析儀用于體聲波傳感器的射頻輸出信號檢測，分別從微帶金屬導線的寬度誤差和厚度誤差對微帶六端口網絡工作頻段的影響進行分析。采用ADS軟件的射頻等效電路仿真分析得出：微帶金屬導線的寬度對六端口網絡的工作帶寬影響較大，金屬導體厚度對工作帶寬的影響很小，幾乎可以忽略不計；由于體聲波傳感器的讀出電路對工作帶寬的要求不高，微帶六端口網絡用于體聲波傳感器讀出電路有良好的工藝健壯性。

關鍵詞：六端口網絡；工藝健壯性；體聲波傳感器；讀出電路；矢量網絡分析儀

0　引言

六端口網絡（six-port network）由無源耦合結構加上微波二極管功率檢波器組成[1-2]，具有結構簡單、制造成本低廉、易于集成等優點，而且能利用合適的校準程序消除由硬件所帶來的測量誤差。由于六端口技術能有效測量被測微波信號的功率、頻率及相位；因此，它帶來了一系列的實際應用價值，如復阻抗和相位的低成本測量、接收機和汽車船舶的測距雷達等[3-5]。文獻[6]中提出了基于六端口反射計（six-port reflectometer）構建體聲波（bulk acoustic wave，BAW）傳感器讀出電路的設想，結合文獻[7]報道的BAW加速度計表頭設計案例，給出了滿足其射頻信號檢測要求的六端口網絡電路設計，初步驗證了該設想的可行性，但并未考慮到微帶六端口制作過程中的工藝誤差對六端口網絡性能的影響。為了了解微帶六端口制作工藝誤差是否會對其性能帶來影響，本文針對文獻[6]中的六端口網絡的工藝誤差進行了仿真分析。

圖1　六端口網絡示意圖

1　原理

六端口反射計是一種干涉測量裝置，其工作原理的基礎是六端口網絡。如圖1所示的六端口網絡中，端口1接信號發生器，端口2接DUT，對于BAW傳感器即為薄膜體聲波諧振器（thin-film bulk acoustic resonator，FBAR）；其余4個端口分別接4個功率檢波器，其功率讀數分別記為P3、P4、P5和P6。圖中還標記了6個端口上的入射（ak，k=1，2，…，6）及反射（bk，k=1，2，…，6）的歸一化電壓。

假設網絡是線性的，根據微波網絡理論可以得出六端口反射計的S參數矩陣：

假定功率計Pk的復反射系數為Γk，有：

化簡得到功率計Pk的功率讀數：

式（3）是復平面上4個圓的方程，含有過多重復的待定常數（Mk及qk），且圓的半徑與|b|2有關，不能直接處理。因此，選取端口4作為參考端口，利用P4對P3、P5、P6歸一化，得到3個獨立的方程：

式（4）是復平面上復反射系數的3個圓，也即復反射系數必在3個圓的圓周上。因此，這3個圓必交于一點，這個交點對應于復反射系數，如圖2所示。

通過以上六端口反射計的基本原理可以得到FBAR的Γ-f曲線并求解出FBAR的串、并聯諧振頻率，進而得到FBAR的諧振頻率偏移量，最終獲得BAW傳感器感測到的待測物理量。文獻[6]針對工作頻率范圍為2.690～2.710 GHz的BAW加速度計表頭設計了所需的讀出電路。然后，根據六端口電路自身要求[1]，得知在工作頻率范圍2.690～2.710 GHz內：|Sk1|＜10dB，k=2，3，4，5，6；|Sk2|＜10 dB，k=3，5，6；|S42|＞20dB，其中Sij是六端口網絡的散射參數。

2　工藝誤差分析

如圖3所示的微帶六端口網絡[8]是本文工藝誤差影響分析的對象。微帶線的工藝誤差包括微帶金屬導線的寬度誤差和厚度誤差，因此以下將從這兩個方面進行分析。

圖2　復平面上關于Γ的相交圓

利用射頻仿真軟件（advanced design system，ADS）對圖3（a）的微帶線六端口網絡進行等效電路仿真。圖4為該六端口網絡的仿真結果。圖4（a）為理想工藝下，端口1到端口1，2，3，4，5，6的S參數曲線；圖4（b）為理想工藝下，端口2到端口2，3，4，5，6 的S參數曲線。

理想工藝下S參數曲線的部分仿真結果如表1所示。由表可知，在2.641～2.740 GHz頻段內，端口1到端口2，3，…，6的傳輸性能滿足六端口網絡的要求（即有|S21|＜10 dB、|S31|＜10 dB、|S41|＜10 dB、|S51|＜10dB和|S61|＜10dB）；端口2到端口3、5和6的傳輸性能，以及到端口4的隔離性能，也滿足六端口網絡的要求（即有|S32|＜10dB、|S52|＜10dB、|S62|＜10dB和|S42|＞20dB）。由圖4中可知，在2.641～2.740 GHz頻段內S參數曲線大致具有連續性和遞增或遞減性，只需頻段的上下限滿足六端口網絡要求，其頻段內的點也必然滿足要求，故在表1中只列出了上下限兩點的S參數取值，下文同理。

圖3　微帶六端口網絡

圖4　理想條件下六端口網絡仿真的S參數曲線

當制作工藝存在誤差且導致金屬導體線寬整體增加50 μm時，部分重要的S參數曲線仿真結果如表2所示。此時，六端口網絡的工作頻率范圍為2.645～2.724 GHz。

當制作工藝存在誤差且導致金屬導體線寬整體減小50 μm時，部分重要的S參數曲線的仿真結果如表3所示。此時，六端口網絡的工作頻率范圍為2.634～2.753 GHz。

當制作工藝存在誤差且導致金屬導體厚度整體增加5μm時，部分重要的S參數曲線的仿真結果如表4所示。此時，六端口網絡的工作頻率范圍為2.644～2.742 GHz。

當制作工藝存在誤差且導致金屬導體厚度整體減小5μm時，部分重要的S參數曲線的仿真結果如表5所示。此時，六端口網絡的工作頻率范圍為2.639～2.739 GHz。

綜上所述，金屬導線寬度增大與減小50μm對工作頻率范圍的影響較大，且導線寬度增大則工作頻率范圍減小，導線寬度減小則工作頻率范圍增大，但仍滿足如圖3所示的微帶六端口網絡工作頻率范圍為2.690～2.710 GHz的BAW加速度計表頭讀出電路的要求；金屬導體厚度在工藝誤差為5μm時對工作頻率范圍的影響很小，可以忽略不計。

表1　理想條件下的仿真結果dB

表2　金屬導線寬度增加50μm的仿真結果　dB

表3　金屬導線寬度減小50μm的仿真結果　dB

表4　金屬導體厚度增加5μm的仿真結果　dB

表5　金屬導體厚度減小5μm的仿真結果　dB

3　結束語

針對基于微帶六端口反射計的體聲波傳感器讀出電路進行了工藝誤差影響分析，包括金屬導線寬度誤差和厚度誤差兩方面：金屬導線寬度增大與減小50 μm對工作頻率范圍的影響較大，且隨導線寬度增大工作頻率范圍減小，導線寬度減小工作頻率范圍增大，但仍滿足文獻[7]中工作頻率范圍為2.690～2.710 GHz的BAW加速度計表頭讀出電路的要求；金屬導體厚度在工藝誤差為5μm時對工作頻率范圍的影響很小，幾乎可以忽略不計。本文采用ADS的射頻等效電路仿真分析結果表明，由于體聲波傳感器的讀出電路對工作帶寬的要求并不高，微帶六端口網絡用于體聲波傳感器讀出電路有極好的工藝健壯性。

參考文獻

[1] ENGEN G F. The six-port reflectometer: an alternative network analyzer[J]. IEEE Trans on Microwave Theory & Techniques，1977，25（12）：1075-1080.

[2] ENGEN G F. An improved circuit for implementing the six-port technique of microwave measurements[J]. IEEE Trans on Microwave Theory&Techniques，1977，25（12）：1080-1083.

[3] KOELPIN V G，LAEMMLE B. The six-port in modern society [J]. IEEETrans. on Microwave Theory & Techniques，2010，11（7）：35-43.

[4] MAJER N，HARING J，WIESER V. DOA estimation by six-portreflectometerarray[C]∥Proceedings of the 17th IEEE International Conference，2007：1-4.

[5] WEI M D，CHEN Y T，QAYYUM S，et al. Wideband six -port receiver using elliptical microstrip-slot directional couplers[C]∥Proceedings of IEEE Radio and Wireless Symposium（RWS），2015：10-12.

[6]黃振華，高楊，蔡洵，等.基于六端口反射計的體聲波傳感器讀出電路[J].壓電與聲光，2015（6）：1066-1070.

[7] HUMBERTO C，JOSé A P，JOSEP M，et al. Highfrequency sensor technologies for inertial force detection based on thin-film bulk acoustic wave resonators（FBAR）[J]. Microelectronic Engineering，2009，86（4-6）：1254-1257.

[8] LI C，ZHANG H，WANG P. A novel six-port circuit based on four quadrature hybrids[J]. International Journal of RF and Microwave Computer -Aided Engineering，2010，20（1）：128-132.

（編輯：李剛）

Process robustness analysis on microstrip six-port network

HUANG Zhenhua1，2，GAO Yang2，3，CAI Xun1，4
（1. School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2. Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China；3. National Key Laboratory of Fundamental Science of Micro/Nano-Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China；4. Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems of Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract:To ensure that the microstrip six-port network is substituted for the vector network analyzer in detecting RF output signals from bulk acoustic wave sensors，the authors have analyzed the effect of the width error and the thickness error of a microstrip metal wire on the operating bandwidth of the microstrip six-port network. ADS software was used to analyze the S parameters of the network equivalent circuit. The results show that the width of the microstrip metal wire has a great influence on the operating bandwidth of the network while the influence of the thickness is very small and can almost be neglected. As the read-out circuit of the bulk acoustic wave sensor does not require much of the operating bandwidth，the microstrip six-port network can be used for the read-out circuit of the sensor because of its high process robustness.

Keywords:six-port network；process robustness；bulk acoustic wave sensor；read-out circuit；vector network analyzer

通訊作者：高楊（1972-），男，四川綿陽市人，研究員，博士，主要從事微電子機械系統研究。

作者簡介：黃振華（1989-），男，湖南婁底市人，碩士研究生，專業方向為射頻微電子機械系統。

基金項目：國家自然科學基金（61574131）；中國工程物理研究院超精密加工技術重點實驗室基金（2014ZA001）；西南科技大學特殊環境機器人技術四川省重點實驗室開放基金（14zxtk01）；重慶大學新型微納器件與系統技術國防重點學科實驗室訪問學者基金（2013MS04）；中國工程物理研究院電子工程研究所創新基金（S20141203）；西南科技大學研究生創新基金（15YCX122，15YCX123，15YCX125）

收稿日期：2015-07-30；收到修改稿日期：2015-09-09

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.005

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0024-04