祁 浩,汪立新,陆家明
(杭州电子科技大学通信工程学院,浙江 杭州 310018)
一种宽带微波六端口结的设计
祁浩,汪立新,陆家明
(杭州电子科技大学通信工程学院,浙江 杭州 310018)
摘要:接收机一直是通信领域研究的热点,而六端口作为接收机前端的核心器件更是受到了该领域科研工作者的青睐.根据六端口的原理和前人的设计经验,利用HFSS软件分别设计出宽带功分器和宽带耦合器,在此基础上设计出一种带宽为2.3~11.5 GHz的宽带六端口结电路,并且进行了加工测试.通过仿真实验和实测,基本达到设计要求.
关键词:接收机;通信;六端口
0引言
六端口技术是由美国国家标准局的Hoer等人于1972年提出来的,他们研究发现利用3 dB定向耦合器和同向功分器等微波器件可以组成六端口结电路[1],通过对该电路4个输出端口的功率进行测量,便可计算出2个输入端的信号大小,所以早期的六端口电路较多应用于微波测量领域[2].现如今,六端口主要应用在直接变频接收机[3]上,由于六端口可以直接解调得到基带信号,这样可以减少混频器的使用,使得整个电路除了本振之外,都是由无源器件组成,从而电路结构变得更加简单,易于集成.在六端口技术中,核心器件是六端口结电路,由1个功分器和3个3 dB定向耦合器组成的.功分器和耦合器的类型有多种,比较常见的功分器有Wilkinson功分器、异面反向功分器等,比较常见的耦合器则有分支定向耦合器[4]、交叉串联带状线耦合器[5]、宽边耦合型宽带耦合器、lange耦合器等.本文采用的是Wilkinson功分器和交叉串联型3 dB定向耦合器,由于这两类器件理论上都是宽带的,并且都可以通过增加节数来增加其带宽,所以很容易实现宽带特性,本文设计的Wilkinson功分器做到了7节,偏置耦合带状线耦合器增加到了9节,在不影响性能的基础上,扩展了带宽.
1六端口结的设计
1.1宽带Wilkinson功分器的设计
Wilkinson功分器是由Chebyshev型多节阻抗变换器实现的,多节阻抗变换器是由多根长度相等而阻抗不等的传输线构成的,通过增加其节数可扩大器件的带宽.为了设计宽带的效果,采用了7节阻抗变换器,通过查阅多节等功率分配器表,得到各变换节的阻抗Zi.本文采用的介质为F4B材料,相对介电常数为2.65,损耗角正切为0.002,基板厚度为0.8 mm,根据上述的参数值,采用ADS的LinCalc工具计算得出每节变换节的参数值以及相应的隔离电阻的值大小如表1所示.
表1 各个阻抗变换节的参数和隔离电阻大小
根据以上参数,利用HFSS软件搭建出的宽带Wilkinson功分器模型如图1所示.
图1 7节宽带功分器模型
1.2交叉串联宽带3 dB耦合器的设计
早期的耦合器一般都是窄带的,要想实现宽带,采用单层板微带线形式一般很难实现,像微带分支线定向耦合器,带宽很难达到宽带.研究发现,多节偏置耦合带状线结构很容易实现耦合器的宽带,但其耦合度比较小,不能实现3 dB这样的强耦合.文献[6]研究证明了由多个弱耦合器串联可以组成一个强耦合器,根据公式推导,本文发现,2个8.34 dB耦合度的耦合器通过串联可构成1个耦合度为3 dB的强耦合器[7],并且输出和耦合端的相位相差90°.
根据上面的理论基础,同样可以设计出宽带3 dB定向耦合器,这里因为是带状线结构,所以用到了3层介质板,介质采用F4B材料,介电常数为2.2,损耗角正切为0.002,基板厚度从下往上依次为0.8 mm,0.3 mm,0.8 mm.
根据多节偏置耦合带状线耦合器的理论计算并且利用ADS的LinCalc工具,得到该耦合器的具体尺寸参数如表2所示.
表2 9节偏置耦合带状线参数值
根据上述参数,通过HFSS软件对耦合器模型进行搭建,得到了宽带偏置耦合带状线3 dB定向耦合器的模型如图2所示.图2中,设计的耦合器结构是完全对称的,图中标出了上下层导带的分布情况,它们分别被夹在两层介质基板之间,空间上又分布在了中间基板的正反面.
图2 宽带3 dB耦合器模型图(中间层)
1.3超宽带六端口结电路的实现
根据上述设计的宽带Wilkinson功分器和多节交叉串联的偏置定向耦合器,进行整体设计,设计出了超宽带微波六端口结电路如图3所示,功分器所处的位置是单层板结构,而3个耦合器所处的位置是三层板的结构,为了实现功分器和耦合器在不同板之间的导通,在图示的位置进行的过孔处理.
将上述的仿真模型导出,生成gerber文件,厂家加工得到实物,实现主要结构图如图4所示.图4(a)中,最底层板是只有功分器,背面覆铜,为了减小加工带来的误差,将耦合器设计在中间层的正反面,而最上层只有单面覆铜,最后将这3块板从下往上对齐通过螺丝拧紧组装好后得到的整体结构图如图4(b)所示,连接SMA头便可以测试.由于设计的功分器是微带线结构,耦合器是带状线结构,所以为了实现不同层的功分器和耦合器的电路导通,进行了过孔,过孔直径为0.5 mm,在实物的加工中,在过孔的下端孔的周围,即在和功分器连接处增加了焊盘,这样便可使上下导带实现了导通.
图3 超宽带六端口结电路模型
图4 六端口结电路加工实物图
2实验结果与分析
判断设计的六端口电路性能好坏的主要参数有:端口的回波损耗、输入端口的隔离度、幅度和相位的不一致性等,通过HFSS对模型进行仿真以及用矢量网络分析仪对加工实物进行一系列地测试,得到的输入输出端口性能如图5所示,端口1和端口2的传输参数效果分别如图6和图7所示.
图5 输入输出端口性能
图6 端口1的传输参数效果
图7 端口2的传输参数效果
图6中,图6(a)、(b)分别表示端口1到输出端口3,4,5,6的插入损耗的仿真值和实测值.图7中,图7(a)、(b)表示的是端口2到输出端口3,4,5,6的插入损耗的仿真值和实测值.
定义参数ΔφPi=Δφ1i-Δφ2i.其中,Δφ1i和Δφ2i分别表示i端口到端口1,2的相位差,i=3,4,5,6.用ΔφP4-ΔφP3,ΔφP5-ΔφP3,ΔφP6-ΔφP3这3个参数来表示端口之间的相位关系,具体相位关系如图8所示.
图8 端口的相位特性
从图5-8可以看出,设计的六端口结电路在整个带宽范围内性能较好.在2.3~11.5 GHz范围内,端口1和端口2的仿真回波损耗S(1,1)和S(2,2)高于-20 dB,实测高于-15 dB;端口1和端口2之间仿真的隔离度S(1,2)高于-21.5 dB,实测高于-17 dB,如图5所示.在幅度不平衡度方面,对于端口1和端口2到其他4个端口的插损,即S(1,3),S(1,4),S(1,5),S(1,6)和S(2,3),S(2,4),S(2,5),S(2,6),其中仿真结果为(6.34±1.5) dB,实测结果为(6.25±2.1) dB,如图6、图7所示.在相位不一致性方面,通过图8可以看出,相位差值近似为180°,90°,-90°,符合理论值.在误差方面,仿真相位不一致性小于±3°,实测相差±10°.与仿真曲线相比,实测虽然存在一定的误差,但都在可接受范围内,通过后期校准[8]可以解决.实测曲线在频带范围内出现了不同程度的振荡,这和以下两方面原因有关,一是仿真软件自身在设计模型时将一些条件理想化了,而实物加工时的加工精度不可能完全达到理想化水平;二是在安装过程中金属螺丝通过过孔导通上下介质板会产生接触不良、带状线结构的3层板之间没有压紧使得里面存在微小气泡等,这些都会干扰高频信号的传输.
3结束语
六端口结构以其低成本,多频带,结构紧凑等特点被广泛使用,尤其是宽频带特性使得它被广泛使用在软件无线电接收机中.本文设计的宽带六端口结电路作为SDR接收机前端的最主要组成部分,覆盖了较高带宽比的带宽宽度,仿真和测试性能较好,为后期在接收机上的应用研究打下了坚实的基础.
参考文献
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Design of a Broadband Microwave Six-port Junction
QI Hao, WANG Lixin, LU Jiaming
(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)
Abstract:Receiver has been a hot research in the field of communication. As the core device of the front end of the receiver, the six-port is the favor of scientific research workers in this field. According to the principle of six-port and the design experience of the predecessors, this paper designed a kind of broadband power divider and broadband coupler with HFSS, and designed a broadband six-port junction circuit with a bandwidth of 2.3 to 11.5 GHz. The testing results show that the simulation and the measurement results can meet the design requirements.
Key words:receiver; communication; six-port
DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2016.02.007
收稿日期:2015-06-23
作者简介:祁浩(1990-),男,江苏南京人,硕士研究生,通信与信息系统.通信作者:汪立新研究员,E-mail:hh02188171@126.com.
中图分类号:TN62
文献标识码:A
文章编号:1001-9146(2016)02-0032-05