一种结构简单的超宽带六端口结设计

张亚静+刘保方

摘要摘要：设计了一种结构简单超宽带六端口结，该结构由四节椭圆威尔金森功分器和椭圆微带缝隙耦合器組成，工作频段为6～20GHz，通过扩展功分器的节数扩展了六端口结的工作频带，通过改变功分器和耦合器每节微带线的形状，扩展了六端口结的整体性能。仿真结果表明，设计的六端口结在工作频带内具有良好的性能，其中，输入端的回波损耗优于-17dB，输入端和隔离端的隔离度为-29dB，输出端幅度保持在（-7±1.5）以内，输出端相位保持在±3.7°以内。

关键词关键词：六端口结；威尔金森功分器；缝隙耦合器；节数扩展；超宽带

DOIDOI：10.11907/rjdk.162620

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）005009904

0引言

六端口技术因为能够简单、准确地测量微波网络的散射参量而为人所知[1]。将六端口理论应用在直接变频接收机，它可以直接在微波、甚至毫米波频段上实现对MPSK、QAM等数字信号的解调[23]。这样就使得A/D转换器只需工作在基带频率上，很大程度上降低了A/D转换器的处理压力，从而也降低了成本。近年来，越来越多的学者对六端口技术进行研究。

六端口接收机最基本的组成部分就是六端口结和四个功率检测计，其中六端口结是六端口接收机中最重要的一部分，它将本振信号和射频输入信号利用特定的相位和幅度关系来产生模拟的I/Q信号。六端口结电路通常由3个耦合器和1个功分器组成。文献[4]中设计了一种频带范围为2～8GHz的六端口结，该六端口结由威尔金森功分器和交叉串联耦合器组成，并在工作频带范围内具有良好的性能，但由于交叉串联耦合器多节设计比较复杂，而且采用三层的带状线结构，存在与功分器中微带线的过渡损耗，从加工角度考虑比较难于实现。因此，文献[5]实现了频带范围为6～18GHz的宽带六端口结，该结构由异面反向功分器和微带缝隙耦合器组成，都采用了双面的微带线结构，不存在微带线和带状线的过渡，而且结构简单、易于加工，但幅度不平衡度和相位不平衡度还有提升的空间。因此，基于上述分析，本文结合威尔金森功分器和缝隙耦合器的优势，设计了一种由威尔金森功分器和微带缝隙耦合器组成的六端口结电路，并对威尔金森功分器和微带缝隙耦合器在微带线的形状部分作了改进，有效提高了整体六端口的频带宽度和性能。

1六端口结设计与仿真

1.1威尔金森功分器设计

功分器属于三端口网络，不可能所有端口都是无损的、匹配的，而威尔金森功分器中由于只有反射功率的损耗[5]，可以很好地解决该问题。虽然新型多层结构的功分器[6]已被实现，但是它们的输出端口之间的平衡度还有待提高。相反，二等分的威尔金森功分器具有相当好的平衡度。因此，基于威尔金森功分器的优势，本文选用威尔金森功分器来设计实现性能优良、具有较小不平衡度的六端口结电路。单节的威尔金森功分器设计简单，但是其只能工作在窄带范围内，而使用多节阻抗变换线相连能够达到扩展威尔金森功分器工作带宽的目的。多节威尔金森功分器是利用切比雪夫多节阻抗变换器[7]实现，主要原理是由多根长度相等而阻抗不等的传输线来构成整体的传输线，通过增加传输线的节数来扩大功分器的带宽。为了实现2～20GHz的宽频带，同时为了避免过多节数导致的尺寸增大，威尔金森功分器采用了4节传输线实现，并在传输线长度保证不变的前提下将形状变换为半圆，并在弯折部分进行切角处理，降低了传输损耗，提高了功分器的输出性能。通过查阅多节等功率分配器表格[8]，可以得到各变换节的阻抗Zn，选用的介质基板材料为Rogers4350B，介电常数为3.66，基板厚度为0.254mm，中心频率设为11GHz。由于功分器的传输线采用微带线的结构，令输入输出馈线的特征阻抗Z0=50Ω，每节传输线的长度为中心频率处波长的1/4。根据以上基板参数和各节传输线阻抗和隔离电阻值，利用ADS软件中的微带线计算工具，可以得到每节微带线的宽度如表1所示。

由上述仿真结果可以看出，所设计的四节威尔金森功分器在4～20GHz的频带范围内具有良好的输入输出性能，其中回波损耗和隔离度优于-20dB，传输系数保持在（-3±0.8）dB，输出相位保持在±1°以内。相较于文献[8]中的功分器，在不影响性能的前提下，提高了频段，扩展了频带宽度。

1.2缝隙耦合器设计

定向耦合器是六端口网络中最重要的组成部分。耦合器输出端口的任何相位和幅度的不平衡都会降低整体六端口的性能，宽带耦合器也是通过多节等波纹结构实现的。耦合器设计的难点就是紧耦合和奇偶模相移速度相等。目前能够实现3dB紧耦合的定向耦合器有Lange耦合器[9]、带状线交叉串联耦合器[10]和微带线缝隙耦合器[11]。Lange耦合器设计结构中涉及交叉线和相对较细的曲线，在加工方面难以实现；而带状线偏置耦合器采用了交叉串联结构，整体结构较为复杂，而且要实现宽频带需要使用多节传输线，这也增加了加工的难度；基于微带缝隙耦合的定向耦合器[11]结构简单，能够很方便地实现3dB的紧耦合，而且性能良好，仅在单节传输线的情况下就能实现四倍频的超宽带。

本文在文献[11]基础上作进一步研究，设计了一种频带范围为4～20GHz的超宽带定向耦合器，根据面积相等的原则将耦合部分的微带线和缝隙设计为椭圆形，减小了传输损耗，提高了耦合器的整体性能。

图3给出了单节的椭圆微带线缝隙耦合器的模型图，可以看出该缝隙耦合器由上下两层基板和三层导电层组成，两条微带线分别附于两层基板的表面，中间导电层为公共地平面，上面开有矩形状的缝隙，正是由于中间层公共地平面的屏蔽作用，上下两个导电层之间没有互相作用，从而可以通过公共地上开有的缝隙来实现宽边耦合。其中，D1为耦合部分微带线的宽度，D2为缝隙的宽度，D3为耦合部分微带线以及缝隙的长度。

由上述仿真结果可以看出，本文设计的耦合器在单节情况下就能在4～20GHz的宽频带内具有良好性能，其中，回波损耗和隔离度优于-20dB，传输系数保持在（-3±1.5）dB以内，相位差保持在（90±2.5）°以内。

1.3六端口结设计

将上述设计的四节椭圆威尔金森功分器和五节的微带椭圆缝隙耦合器组合成六端口结，通过HFSS软件完成三维仿真建模，进行仿真优化后确定六端口结模型如图5所示。

从上图可以看到，由于功分器使用的是单层板结构，而耦合器使用双层板结构，在功分器一端的连接处不在一层，为了使得信号能够传输过来，在图示部分进行过孔处理，并将过孔内壁设为理想导体，使得信号通过的损耗降到最小。

2仿真结果和分析

2.1仿真结果

通过HFSS对上述六端口结模型进行仿真，得到最终的仿真结果如图6所示。

由图6的仿真结果可以看出，由上述功分器和耦合器组成的新型六端口结在6GHz20GHz内性能表现良好，由图6（a）可以得到，端口1的输入损耗優于-17dB，端口2的输入损耗优于-22dB，端口1和2的隔离度优于-29dB；由图6（b）可以得到，端口1到各输出端口的传输系数保持在（-7±1.5）dB以内，端口2到各输出端口的传输系数保持在（-6.8±2）dB以内；由图6（c）和（d）可以得到，端口1和端口2到各输出端口的相位不平衡度保持在±3.7°以内。整体性能基本能满足微波射频系统的要求，但是相对于单个的功分器和耦合器，整体的六端口结在低频部分效果变差，导致整个频带变窄，造成这种情况的原因可能是功分器和耦合器之间的连接存在过孔，虽然过孔已经过导电处理，但是对于信号传输还是存在一定的损耗，导致最终效果变差。

2.2容差性能分析

受到制造工艺、加工能力以及环境等诸多因素的影响，最终加工出来的六端口的实际尺寸和参数往往背离设计值，这可能会导致加工成品的性能下降，这对精度要求比较高的射频产品来说是不允许的。六端口的容差偏大将会增加调试难度和成本，甚至无法实现设计指标，如果偏小，废品率将会大大提高。因此，分析耦合器的容差性能对于实际加工的产品性能具有重大意义，能够为加工提供一定的参考。

本文利用HFSS中的调谐工具Tuning来对六端口的参数容差性进行定性分析。由于六端口结电路中参数较多，根据HFSS软件中的灵敏度分析可以知道耦合器中的缝隙宽度和功分器中的各节长度是对整体六端口性能影响较大的参数，因此选其为变量来观察整体六端口结的容差性能。首先在仿真设置中将功分器的各节微带线长度、耦合器的缝隙宽度设置为变量，然后点击模型分析对六端口进行仿真，最后生成Tune Report，以S11参数为例，在得到的仿真结果中对各参数设置10%上下的偏差，得到的设置和对比结果如图7所示。

上述仿真结果仅仅给出了六端口回波损耗S11的对比，从上述结果中可以看出，当缝隙宽度变化10%时，最终的仿真结果虽然有一定变化，但是仍然满足整体的性能要求。但当功分器的每节传输线长度变化10%时，回波损耗S11性能大幅度下降，不能满足基本性能要求。 除此之外，还对隔离度、传输系数和相位差进行了仿真对比，发现当微带缝隙宽度和功分器传输线长度变化10%时，输入端口隔离度、传输系数和相位差虽然都有一定的微小变化，但是仍然在六端口允许的性能范围内。因此说明功分器传输线长度变化对于六端口结的性能影响较大，在加工时要有较小的容差，而其它参数在10%容差情况下，基本上对性能没有太大影响。

值得说明的是，虽然对六端口的容差进行分析对于加工有一定的参考价值，但是在加工过程中，误差是由多种因素共同作用导致的，因而不能完全依赖其进行容差分析。

2.3性能指标对比

为了进一步说明本文所设计的六端口的良好性能，表2给出了本文设计的六端口结和文献[4]、文献[5]及文献[10]中六端口主要指标的对比情况。与文献[4]相比，本文设计的六端口结在幅度不平衡度性能有所下降的前提下，有效地扩展了带宽，回波损耗、隔离度和相位不平衡度特性均有所提升；与文献[10]相比，在幅度不平衡度性能有所下降的情况下有效提高了六端口的带宽和隔离度；与文献[5]相比，在带宽比近似相等的情况下，虽然回波损耗性能稍微降低，但隔离度明显提升，幅度不平衡度也有所提高。

3结语

本文主要完成了一种频段范围为6～20GHz的宽带微波六端口结的设计，提出了采用四节椭圆威尔金森功分器和五节缝隙耦合器组成宽带六端口结。利用HFSS软件分别对功分器和耦合器进行设计仿真，然后将它们连接起来组成六端口结电路，并对此模型进行仿真优化和对比。仿真和对比结果表明，本文设计的耦合器取得了较为理想的结果，达到了提高频率和带宽的目的。另外，从加工角度考虑，对该六端口电路进行了容差性能分析，证明该六端口结具有良好的容差性，为后续加工提供了一定的参考价值。

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