李毅伟

[摘 要]六端口矢量反射分析仪中，五端口结为核心部件，五端口结的结构是否合理同六端口矢量反射分析仪测量是否精准直接相关。本文借助HFSS软件对五端口结微波器件及网络进行了仿真分析，就其结构尺寸变化下匹配性能差异进行了讨论，并给出选择依据，最终将金属圆柱体作为匹配件，通过对圆柱半径、位置的调节，让各端口实现了性能上的良好匹配。

[关键词]微波波导 五端口结 测量 设计

中图分类号：R54041 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0025-01

1.引言

微波电路设计中，矢量反射系数测量是最重要的一项工作。当前测量仪器主要有微波矢量网络分析仪还有六端口反射分析仪。微波矢量网络分析仪工作频带宽，更灵活，但是结构却比较复杂，设计成本高[1]。而六端口反射分析仪属于无源网络，可以将相位测量用幅度测量来替代，稳定性好，准确度高，且体积小，设计成本低，唯一不足的是工作的频带比较窄[2]。为让六端口反射分析仪频带扩宽，使其应用领域拓宽，我们对其核心部件——微波五端口结通过Microwave office软件进行了优化设计。

2.五端口结的原理与设计目标

图1为六端口矢量反射分析仪最常见的一种形式[3]。这种反射仪是微波五端口结同定向耦合器结合所形成的，这种结构工作频带比较宽，结构更紧凑，使用范围更广。而要提高这种电路测量的特性必须要求微波五端口结这一电路内的核心部件能旋转对称，各个端口都能够达到匹配要求。

3.微波波导五端口网络仿真设计

3.1 五端口结三维图像

在X波段波导下，我们将五端口结波导尺寸按照国家的标准尺寸进行设计：a=2.286cm，b=1.016cm。具体效果图如图2所示。

3.2 匹配原件变量的优化

五端口结设计的原始尺寸为：矩形波导a=2.286cm，b=1.016cm；长度3.048mm。圆波导初始高度为1.016cm，半径为3.048cm，如将圆柱半径的变量设成offset，则会存在以下状况[6]：

（1）中间不匹配元件

从上图可以得知，中间不匹配元件的五端口结在中心频率是10GHz的时候，反射系数最大，频带也最宽。

（2）圆柱半径变量优化

对圆柱半径的变量offset进行优化设计得到图4所示示意图。图内3条曲线都加入了匹配元件圆柱，曲线1-3元件半径分别为1.143cm、1.016cm、0.889cm。在这三条曲线中，曲线1反射系数较低，频带比较宽；曲线2反射系数同曲线1基本一致，频带是进一步加宽的；曲线3反射系数变大，频带变宽，可见S参数曲线。由此我们得知在有匹配元件加入时，圆柱高度为1.143cm，半径为1.143cm的时候，五端口结反射系数最为理想，此时频带较宽。

（3）圆柱位置变量优化

在上述尺寸保持不变的情况下对圆柱位置的变量offset进行优化设计得到图5所示示意图。图内6条曲线都加入了匹配元件圆柱，曲线1-6圆柱体位置X分别=0.1016cm、0.0762cm、0.0889cm、0.127cm、0.1778cm、0.254cm。在这六条曲线中，曲线1的S参数，反射系数是增加的，频带增宽；曲线2的S参数，反射系数略微增加，频带是稍微加宽的；曲线3的S参数，反射系数略微增加，频带是稍微加宽的；曲线4的S参数，反射系数是降低的，频带是增宽的；曲线5的S参数，反射系数略微增加，频带是稍微加宽的；曲线6的S参数，反射系数是增加的，频带是稍微加宽的。由此我们得知在有匹配元件加入时，圆柱位置X=0.127cm的时候，五端口结反射系数是最低的，此时频带是最宽的。

通过研究我们发现在五端口结微波器件内加入匹配元件，且匹配圆柱位置及半径比较适当的时候能够得到让反射系数较小，并得到较宽频带。通过实验我们得知当圆柱体半径选择1.016cm，高度同矩形波导窄臂一致的时候，五端口结微波器件性能是最好的。此时五端口结微波器件反射系数为0.048，中心频率为11.35GHz，半径如增加，频带会变窄；半径如减小，反射系数会增加，匹配会变差。而当圆柱位置X=0.127cm的时候，五端口结反射系数是最低的，此时频带是最宽的。

4.结语

六端口矢量反射分析仪中，五端口结为核心部件，五端口结的结构是否合理同六端口矢量反射分析仪测量是否精准直接相关。本文对五端口结的设计为中间是一个圆形波导，四周是五个对称的矩形波导，将圆柱形金属棒作为匹配元件。在网络测量过程中通过调节金属棒位置及半径距离最终让各个端口实现了良好匹配。

参考文献

[1] 陆毅，罗印升，乔晓华，等.基于MSP430的非线性端口网络导纳测试仪的设计[J].测控技术，2014，33（9）：5-8.

[2] 宋志东，张国强，崔敏.一种Ka波段宽带波导-微带转换器的研制[J].火控雷达技术，2014（4）：74-77.