一種結構簡單的超寬帶六端口結設計

張亞靜+劉保方

摘要摘要：設計了一種結構簡單超寬帶六端口結，該結構由四節橢圓威爾金森功分器和橢圓微帶縫隙耦合器組成，工作頻段為6～20GHz，通過擴展功分器的節數擴展了六端口結的工作頻帶，通過改變功分器和耦合器每節微帶線的形狀，擴展了六端口結的整體性能。仿真結果表明，設計的六端口結在工作頻帶內具有良好的性能，其中，輸入端的回波損耗優于-17dB，輸入端和隔離端的隔離度為-29dB，輸出端幅度保持在（-7±1.5）以內，輸出端相位保持在±3.7°以內。

關鍵詞關鍵詞：六端口結；威爾金森功分器；縫隙耦合器；節數擴展；超寬帶

DOIDOI：10.11907/rjdk.162620

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）005009904

0引言

六端口技術因為能夠簡單、準確地測量微波網絡的散射參量而為人所知[1]。將六端口理論應用在直接變頻接收機，它可以直接在微波、甚至毫米波頻段上實現對MPSK、QAM等數字信號的解調[23]。這樣就使得A/D轉換器只需工作在基帶頻率上，很大程度上降低了A/D轉換器的處理壓力，從而也降低了成本。近年來，越來越多的學者對六端口技術進行研究。

六端口接收機最基本的組成部分就是六端口結和四個功率檢測計，其中六端口結是六端口接收機中最重要的一部分，它將本振信號和射頻輸入信號利用特定的相位和幅度關系來產生模擬的I/Q信號。六端口結電路通常由3個耦合器和1個功分器組成。文獻[4]中設計了一種頻帶范圍為2～8GHz的六端口結，該六端口結由威爾金森功分器和交叉串聯耦合器組成，并在工作頻帶范圍內具有良好的性能，但由于交叉串聯耦合器多節設計比較復雜，而且采用三層的帶狀線結構，存在與功分器中微帶線的過渡損耗，從加工角度考慮比較難于實現。因此，文獻[5]實現了頻帶范圍為6～18GHz的寬帶六端口結，該結構由異面反向功分器和微帶縫隙耦合器組成，都采用了雙面的微帶線結構，不存在微帶線和帶狀線的過渡，而且結構簡單、易于加工，但幅度不平衡度和相位不平衡度還有提升的空間。因此，基于上述分析，本文結合威爾金森功分器和縫隙耦合器的優勢，設計了一種由威爾金森功分器和微帶縫隙耦合器組成的六端口結電路，并對威爾金森功分器和微帶縫隙耦合器在微帶線的形狀部分作了改進，有效提高了整體六端口的頻帶寬度和性能。

1六端口結設計與仿真

1.1威爾金森功分器設計

功分器屬于三端口網絡，不可能所有端口都是無損的、匹配的，而威爾金森功分器中由于只有反射功率的損耗[5]，可以很好地解決該問題。雖然新型多層結構的功分器[6]已被實現，但是它們的輸出端口之間的平衡度還有待提高。相反，二等分的威爾金森功分器具有相當好的平衡度。因此，基于威爾金森功分器的優勢，本文選用威爾金森功分器來設計實現性能優良、具有較小不平衡度的六端口結電路。單節的威爾金森功分器設計簡單，但是其只能工作在窄帶范圍內，而使用多節阻抗變換線相連能夠達到擴展威爾金森功分器工作帶寬的目的。多節威爾金森功分器是利用切比雪夫多節阻抗變換器[7]實現，主要原理是由多根長度相等而阻抗不等的傳輸線來構成整體的傳輸線，通過增加傳輸線的節數來擴大功分器的帶寬。為了實現2～20GHz的寬頻帶，同時為了避免過多節數導致的尺寸增大，威爾金森功分器采用了4節傳輸線實現，并在傳輸線長度保證不變的前提下將形狀變換為半圓，并在彎折部分進行切角處理，降低了傳輸損耗，提高了功分器的輸出性能。通過查閱多節等功率分配器表格[8]，可以得到各變換節的阻抗Zn，選用的介質基板材料為Rogers4350B，介電常數為3.66，基板厚度為0.254mm，中心頻率設為11GHz。由于功分器的傳輸線采用微帶線的結構，令輸入輸出饋線的特征阻抗Z0=50Ω，每節傳輸線的長度為中心頻率處波長的1/4。根據以上基板參數和各節傳輸線阻抗和隔離電阻值，利用ADS軟件中的微帶線計算工具，可以得到每節微帶線的寬度如表1所示。

由上述仿真結果可以看出，所設計的四節威爾金森功分器在4～20GHz的頻帶范圍內具有良好的輸入輸出性能，其中回波損耗和隔離度優于-20dB，傳輸系數保持在（-3±0.8）dB，輸出相位保持在±1°以內。相較于文獻[8]中的功分器，在不影響性能的前提下，提高了頻段，擴展了頻帶寬度。

1.2縫隙耦合器設計

定向耦合器是六端口網絡中最重要的組成部分。耦合器輸出端口的任何相位和幅度的不平衡都會降低整體六端口的性能，寬帶耦合器也是通過多節等波紋結構實現的。耦合器設計的難點就是緊耦合和奇偶模相移速度相等。目前能夠實現3dB緊耦合的定向耦合器有Lange耦合器[9]、帶狀線交叉串聯耦合器[10]和微帶線縫隙耦合器[11]。Lange耦合器設計結構中涉及交叉線和相對較細的曲線，在加工方面難以實現；而帶狀線偏置耦合器采用了交叉串聯結構，整體結構較為復雜，而且要實現寬頻帶需要使用多節傳輸線，這也增加了加工的難度；基于微帶縫隙耦合的定向耦合器[11]結構簡單，能夠很方便地實現3dB的緊耦合，而且性能良好，僅在單節傳輸線的情況下就能實現四倍頻的超寬帶。

本文在文獻[11]基礎上作進一步研究，設計了一種頻帶范圍為4～20GHz的超寬帶定向耦合器，根據面積相等的原則將耦合部分的微帶線和縫隙設計為橢圓形，減小了傳輸損耗，提高了耦合器的整體性能。

圖3給出了單節的橢圓微帶線縫隙耦合器的模型圖，可以看出該縫隙耦合器由上下兩層基板和三層導電層組成，兩條微帶線分別附于兩層基板的表面，中間導電層為公共地平面，上面開有矩形狀的縫隙，正是由于中間層公共地平面的屏蔽作用，上下兩個導電層之間沒有互相作用，從而可以通過公共地上開有的縫隙來實現寬邊耦合。其中，D1為耦合部分微帶線的寬度，D2為縫隙的寬度，D3為耦合部分微帶線以及縫隙的長度。

由上述仿真結果可以看出，本文設計的耦合器在單節情況下就能在4～20GHz的寬頻帶內具有良好性能，其中，回波損耗和隔離度優于-20dB，傳輸系數保持在（-3±1.5）dB以內，相位差保持在（90±2.5）°以內。

1.3六端口結設計

將上述設計的四節橢圓威爾金森功分器和五節的微帶橢圓縫隙耦合器組合成六端口結，通過HFSS軟件完成三維仿真建模，進行仿真優化后確定六端口結模型如圖5所示。

從上圖可以看到，由于功分器使用的是單層板結構，而耦合器使用雙層板結構，在功分器一端的連接處不在一層，為了使得信號能夠傳輸過來，在圖示部分進行過孔處理，并將過孔內壁設為理想導體，使得信號通過的損耗降到最小。

2仿真結果和分析

2.1仿真結果

通過HFSS對上述六端口結模型進行仿真，得到最終的仿真結果如圖6所示。

由圖6的仿真結果可以看出，由上述功分器和耦合器組成的新型六端口結在6GHz20GHz內性能表現良好，由圖6（a）可以得到，端口1的輸入損耗優于-17dB，端口2的輸入損耗優于-22dB，端口1和2的隔離度優于-29dB；由圖6（b）可以得到，端口1到各輸出端口的傳輸系數保持在（-7±1.5）dB以內，端口2到各輸出端口的傳輸系數保持在（-6.8±2）dB以內；由圖6（c）和（d）可以得到，端口1和端口2到各輸出端口的相位不平衡度保持在±3.7°以內。整體性能基本能滿足微波射頻系統的要求，但是相對于單個的功分器和耦合器，整體的六端口結在低頻部分效果變差，導致整個頻帶變窄，造成這種情況的原因可能是功分器和耦合器之間的連接存在過孔，雖然過孔已經過導電處理，但是對于信號傳輸還是存在一定的損耗，導致最終效果變差。

2.2容差性能分析

受到制造工藝、加工能力以及環境等諸多因素的影響，最終加工出來的六端口的實際尺寸和參數往往背離設計值，這可能會導致加工成品的性能下降，這對精度要求比較高的射頻產品來說是不允許的。六端口的容差偏大將會增加調試難度和成本，甚至無法實現設計指標，如果偏小，廢品率將會大大提高。因此，分析耦合器的容差性能對于實際加工的產品性能具有重大意義，能夠為加工提供一定的參考。

本文利用HFSS中的調諧工具Tuning來對六端口的參數容差性進行定性分析。由于六端口結電路中參數較多，根據HFSS軟件中的靈敏度分析可以知道耦合器中的縫隙寬度和功分器中的各節長度是對整體六端口性能影響較大的參數，因此選其為變量來觀察整體六端口結的容差性能。首先在仿真設置中將功分器的各節微帶線長度、耦合器的縫隙寬度設置為變量，然后點擊模型分析對六端口進行仿真，最后生成Tune Report，以S11參數為例，在得到的仿真結果中對各參數設置10%上下的偏差，得到的設置和對比結果如圖7所示。

上述仿真結果僅僅給出了六端口回波損耗S11的對比，從上述結果中可以看出，當縫隙寬度變化10%時，最終的仿真結果雖然有一定變化，但是仍然滿足整體的性能要求。但當功分器的每節傳輸線長度變化10%時，回波損耗S11性能大幅度下降，不能滿足基本性能要求。 除此之外，還對隔離度、傳輸系數和相位差進行了仿真對比，發現當微帶縫隙寬度和功分器傳輸線長度變化10%時，輸入端口隔離度、傳輸系數和相位差雖然都有一定的微小變化，但是仍然在六端口允許的性能范圍內。因此說明功分器傳輸線長度變化對于六端口結的性能影響較大，在加工時要有較小的容差，而其它參數在10%容差情況下，基本上對性能沒有太大影響。

值得說明的是，雖然對六端口的容差進行分析對于加工有一定的參考價值，但是在加工過程中，誤差是由多種因素共同作用導致的，因而不能完全依賴其進行容差分析。

2.3性能指標對比

為了進一步說明本文所設計的六端口的良好性能，表2給出了本文設計的六端口結和文獻[4]、文獻[5]及文獻[10]中六端口主要指標的對比情況。與文獻[4]相比，本文設計的六端口結在幅度不平衡度性能有所下降的前提下，有效地擴展了帶寬，回波損耗、隔離度和相位不平衡度特性均有所提升；與文獻[10]相比，在幅度不平衡度性能有所下降的情況下有效提高了六端口的帶寬和隔離度；與文獻[5]相比，在帶寬比近似相等的情況下，雖然回波損耗性能稍微降低，但隔離度明顯提升，幅度不平衡度也有所提高。

3結語

本文主要完成了一種頻段范圍為6～20GHz的寬帶微波六端口結的設計，提出了采用四節橢圓威爾金森功分器和五節縫隙耦合器組成寬帶六端口結。利用HFSS軟件分別對功分器和耦合器進行設計仿真，然后將它們連接起來組成六端口結電路，并對此模型進行仿真優化和對比。仿真和對比結果表明，本文設計的耦合器取得了較為理想的結果，達到了提高頻率和帶寬的目的。另外，從加工角度考慮，對該六端口電路進行了容差性能分析，證明該六端口結具有良好的容差性，為后續加工提供了一定的參考價值。

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責任編輯（責任編輯：孫娟）