一种新型的超宽带六端口结的设计*

王 克，陆家明

（杭州电子科技大学，浙江 杭州 310018）

一种新型的超宽带六端口结的设计*

王 克，陆家明

（杭州电子科技大学，浙江 杭州 310018）

六端口电路技术是一种重要的无源网络技术，通常由一个功分器和三个耦合器构成，最初在微波测量和网络分析仪等系统中得到了广泛应用。以六端口理论和前人的设计经验为基础，利用HFSS软件分别设计了一种新的宽带功分器和耦合器，并在此基础上设计了一种新型的6～18 GHz的超宽带六端口结，同时对其进行了加工测试。仿真和实测结果表明，该宽带六端口结达到了设计要求。

六端口；功分器；耦合器；接收机；

0　引 言

六端口电路技术是由Hoer等人在1972年提出来的。由于六端口结电路（六端口网络或六端口相关器）只是由无源器件构成，并且通过全微带线电路实现，因此结构非常简单，而且价格非常低廉。六端口技术可以将高频信号直接解调得到基带信号，减少了混频器的使用，使得电路实现变得容易，在微波通信领域得到了广泛应用[1]。六端口结是六端口直接变频接收机[2]的核心部件。最基本的六端口结可以由Wilkinson功分器和四端口的分支线耦合器组合而成[3-4]。本文设计了一种新型的异面反向功分器和宽带缝隙耦合器，实现了一种超宽带六端口结的设计，极大扩展了带宽。

1　异面反向功分器的设计

考虑到功分器的带宽问题，传统的Wilkinson功分器通过节数的增多达到带宽扩展的目的[5]。文献[6]用了七节的Wilkinson功分器，即采用七节的切比雪夫阻抗变换线，通过增加节数来扩展带宽，在2～12 GHz范围内具有良好的性能。但随着节数的增加，在非常小的面积中实现多个节数的变化，要求制作的工艺甚至达到0.001 mm的级别。这大大增加了制作难度和成本投入。为了克服Wilkinson功分器多节难以实现的问题，本文提出了一种新型的异面反向功分器。它可以通过馈线的进入方向，实现180°的相位差，保持了反相的特性。仿真和实物实验结果显示性能良好。

这种新型的异面反相功分器包含两层的介质基板。微带线分别位于两层介质基板的上下面，上层包含两条微带线，一条输入馈线和一条输出馈线，下层包含一条输出馈线。两层介质基板中间是公共地平面，公共地中间开了槽线，用于输入信号到输出信号的耦合，其结构如图1所示。

令微带线宽度为wm，微带线圆形直径为dm，槽线宽度为ws，槽线长度为ls，槽线圆形直径为ds。其中，微带线宽度由基板相对介电常数和50 Ω特征阻抗决定。通过减小dm和ds的大小，工作频带会往高频偏移，同时伴随有输出端插入损耗的增加。槽线宽度ws的减小，可以减小回波损耗。但是，考虑到加工的精度问题，槽线宽度必须在加工精度内。

选用Rogers RO4350B的介质基板，相对介电常数为3.66，厚度为0.254 mm。通过相关计算[7]和软件仿真优化得到功分器参数，wm=0.55 mm，dm=1.8 mm，ds=1.8 mm，ws=0.1 mm，ls=1.5 mm，测试结果如图2所示。

图2　异面反相功分器回波损耗和插入损耗曲线

从仿真结果可以看出，在6～18 GHz范围内，输出幅度为-4.0±0.8 dB，回波损耗优于-12 dB，性能优良。

2　新型微带缝隙耦合器的设计

考虑到功分器的带宽问题，传统的Wilkinson功分器通过节数的增多，达到带宽扩展的目的[5]。文献[6]用了七节的Wilkinson功分器，即采用七节的切比雪夫阻抗变换线，通过增加节数来扩展带宽，在2～12 GHz范围内具有良好的性能。但随着节数的增加，在非常小的面积中实现多个节数的变化，要求制作的工艺甚至达到0.001 mm的级别，这大大增加了制作难度和成本投入。

传统的分支线耦合器一般为单层的微带线板构成，其耦合器一般为窄带的，带宽很难达到宽带的要求。研究发现，多节偏置带状线结构十分容易达到耦合器的宽带，但耦合度低，不能实现3 dB的强耦合。文献[8]实现了由多个弱耦合器串联组成一个强耦合器。文献[6]实现了一个9节交叉串联耦合器。虽然交叉串联耦合器使得耦合器的耦合性能从弱耦合变为了3 dB的强耦合性能，但是也带来了一些问题。多节耦合器要求的加工精度非常高，而且因为其为多层结构，层与层之间通过压合组合在一起，难以避免在层间出现微小的气泡，从而影响高频信号的传输。

本文提出了一种新型的微带缝隙耦合器，通过微带缝隙实现微带线的宽边耦合，不仅能够达到3 dB紧耦合的要求，并且具有较宽的带宽，而且解决了多层压合出现缝隙和较多过孔钻取导致性能变差的问题。

新型的微带缝隙耦合器具有两层介质基板，两层介质基板中间是矩形开槽的公共地。耦合器的微带线位于两层基板的上下两面，具有对称结构，通过中间的矩形开槽实现宽边耦合。结构如图3所示。

图3　单节微带矩形缝隙耦合器模型

图3为单节的微带矩形缝隙耦合器。其中，微带线的宽度为w1，公共地矩形开槽的宽度为w2，长度均为l，介质基板厚度为h。通过奇偶模分析方法对该耦合器进行分析，则微带矩形缝隙耦合器的微带宽度w1、开槽宽度w2和奇偶模阻抗存在下述关系：

式中，Z0o是奇模阻抗，Z0e是偶模阻抗，εr是介质基板的相对介电常数，K(k)是第一类椭圆积分函数，且k1和k2则可以通过下面的公式获得：

通过高斯-牛顿迭代法，根据给定的奇偶模特征阻抗Z0e和Z0o，求得微带宽度w1和开槽宽度w2。耦合长度l可以根据波长求得：

式中λe是介质中的波长，λ0是自由空间中的波长。

为了进一步提升带宽和降低矩形微带线带来的不连续性，本文提出一种新的改进方法：将参与耦合的矩形微带和矩形缝隙改成椭圆形。

将矩形改造成椭圆形，可以依据面积相等的准则，设计参数如下：

式中，D3是椭圆的长度，D1是椭圆微带线的宽度，D2是椭圆缝隙的宽度，计算的数据均为模型的初始值，仿真过程需要通过数据的反复迭代进行优化。

采用矩形微带的耦合器的输出幅度S21和S31具有明显的弧度，而采用椭圆结构后，输出幅度则变得更加平坦，幅度平衡度也由矩形的±1.8 dB变成了椭圆的±1.0 dB。同时，在回波损耗和隔离度方面，采用矩形微带结构的耦合器随着频率的升高，性能变差；而椭圆微带结构的耦合器在整个频带内优于-20 dB。可见，椭圆结构显著提升了耦合器的性能。

考虑到宽带的要求，本文提出将微带椭圆缝隙耦合器由原来的一节提升为三节，以得到更好的宽带特性，其结构图如图4所示。

多节耦合器的设计步骤如下：

（1）根据文献[9]，查表获得各节的奇偶模特征阻抗，并经过计算得到各节的耦合度C；

（2）根据奇模特性阻抗，计算出各节微带线的宽度W；

（3）根据λe/4，计算出各节的长度L；

（4）根据每节的耦合度C，通过HFSS软件优化得到各节缝隙宽度G；

（5）组成三节的微带缝隙耦合器，并进行椭圆改造。

图4　三节微带椭圆缝隙耦合器结构

这里选用了Rogers RO4350B的介质基板，相对介电常数为3.66，厚度为0.254 mm。根据上述步骤，得到各级的耦合线数据如表1所示。

表1　三节微带耦合器各节参数

根据计算得到的参数，在HFSS软件里面进行建模，并仿真得到测试结果，如图5所示。

图5　椭圆缝隙耦合器回波损耗、隔离度和插入损耗曲线

由图5可知，节数增加到三节后，回波损耗S11和隔离度S41特性曲线的波纹增加，有效提高了带宽，且输入端口的回波损耗和隔离度在整个工作带宽内均优于-22 dB。因此，通过增加节数和椭圆化的方法，对普通的微带矩形缝隙耦合器进行改进，得到了更好的宽带特性。

3　超宽带六端口结的电路实现

将异面反相功分器和三节的微带椭圆缝隙耦合器进行协同优化，得到了具有宽带特性的双层六端口结。通过HFSS软件完成三维仿真建模，其结构如图6所示。

图6　新型的宽带六端口结结构

由于功分器和耦合器都采用了两层基板的结构，可以方便地进行连接适配，不需要采用过孔的连接方式，因此保证了传输性能。介质基板依然采用Rogers RO4350B，两层0.254 mm厚度的基板上下叠加，中间为公共地，分别在功分器和耦合器的位置上开槽，以保证上下层微带之间的耦合。上层包含三条微带线，下层包含两条微带线，上下层微带线之间间隔为0.508 mm。加工成实物，如图7所示。图7展示了六端口结构的上下层电路板以及通过螺丝压合并安装上SMA头后的整体结构。可见，整个结构非常紧凑。

图7　新型的宽带六端口实物

4　实验结果与数据分析

图8、图9和图10依次为六端口回波损耗和隔离度曲线、六端口幅度特性曲线和六端口相位特性曲线。

从测试结果可以看出，在6～18 GHz的频带范围内，六端口结的回波损耗和隔离度均优于-20 dB。幅度特性较为平坦，端口1对应的实测输出幅度为-8.6±2.4 dB。以端口4的相位为参考相位，分别测得端口3、5、6与端口4的相位差为SΔ32、SΔ52、SΔ62。从相位特性曲线可以看出，在6～18 GHz频带内，相位特性曲线较为平坦，相位不一致性，但仍然可以保持在±3°以内，整体的平均值接近90°的整数倍，满足实际要求。

图8　六端口回波损耗和隔离度曲线

图9　六端口幅度特性曲线

图10　六端口相位特性曲线

该六端口结的实测结果与仿真结果存在一定偏差，由于工作频段较宽，中心频率达到了12 GHz，整体尺寸较小，误差主要由SMA连接器焊接等因素造成。需注意的是，由加工造成的误差可以在后期的校准中得到有效控制。

5　结 语

六端口结电路因其成本低廉、频带广、结构简单等特点，在通信领域得到了广泛应用，尤其是宽频带特性，使其在软件无线电接收机中具有重要的地位。本文设计的一种新型超宽带六端口结电路，覆盖了6～18 GHz的带宽宽度，且实验表明其具有较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.基于六端口技术的直接变频接收机研究[D].成都:电子科技大学,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] 伍举.宽带六端口电路中的器件研制[D].成都:电子科技大学,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,陆家明.一种宽带微波六端口结的设计[J].杭州电子科技大学学报:自然科学版,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，硕士，主要研究方向为软件无线电；

陆家明（1991—），男，硕士，主要研究方向为软件无线电。

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