黄振华，高　杨，蔡　洵

（1.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010；2.中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621999；3.重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆400044；4.重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044）



微带六端口网络的工艺健壮性分析

黄振华1，2，高杨2，3，蔡洵1，4

（1.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010；2.中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621999；
3.重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆400044；4.重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044）

摘要：为确保微带六端口网络能替代矢量网络分析仪用于体声波传感器的射频输出信号检测，分别从微带金属导线的宽度误差和厚度误差对微带六端口网络工作频段的影响进行分析。采用ADS软件的射频等效电路仿真分析得出：微带金属导线的宽度对六端口网络的工作带宽影响较大，金属导体厚度对工作带宽的影响很小，几乎可以忽略不计；由于体声波传感器的读出电路对工作带宽的要求不高，微带六端口网络用于体声波传感器读出电路有良好的工艺健壮性。

关键词：六端口网络；工艺健壮性；体声波传感器；读出电路；矢量网络分析仪

0　引言

六端口网络（six-port network）由无源耦合结构加上微波二极管功率检波器组成[1-2]，具有结构简单、制造成本低廉、易于集成等优点，而且能利用合适的校准程序消除由硬件所带来的测量误差。由于六端口技术能有效测量被测微波信号的功率、频率及相位；因此，它带来了一系列的实际应用价值，如复阻抗和相位的低成本测量、接收机和汽车船舶的测距雷达等[3-5]。文献[6]中提出了基于六端口反射计（six-port reflectometer）构建体声波（bulk acoustic wave，BAW）传感器读出电路的设想，结合文献[7]报道的BAW加速度计表头设计案例，给出了满足其射频信号检测要求的六端口网络电路设计，初步验证了该设想的可行性，但并未考虑到微带六端口制作过程中的工艺误差对六端口网络性能的影响。为了了解微带六端口制作工艺误差是否会对其性能带来影响，本文针对文献[6]中的六端口网络的工艺误差进行了仿真分析。

图1　六端口网络示意图

1　原理

六端口反射计是一种干涉测量装置，其工作原理的基础是六端口网络。如图1所示的六端口网络中，端口1接信号发生器，端口2接DUT，对于BAW传感器即为薄膜体声波谐振器（thin-film bulk acoustic resonator，FBAR）；其余4个端口分別接4个功率检波器，其功率读数分别记为P3、P4、P5和P6。图中还标记了6个端口上的入射（ak，k=1，2，…，6）及反射（bk，k=1，2，…，6）的归一化电压。

假设网络是线性的，根据微波网络理论可以得出六端口反射计的S参数矩阵：

假定功率计Pk的复反射系数为Γk，有：

化简得到功率计Pk的功率读数：

式（3）是复平面上4个圆的方程，含有过多重复的待定常数（Mk及qk），且圆的半径与|b|2有关，不能直接处理。因此，选取端口4作为参考端口，利用P4对P3、P5、P6归一化，得到3个独立的方程：

式（4）是复平面上复反射系数的3个圆，也即复反射系数必在3个圆的圆周上。因此，这3个圆必交于一点，这个交点对应于复反射系数，如图2所示。

通过以上六端口反射计的基本原理可以得到FBAR的Γ-f曲线并求解出FBAR的串、并联谐振频率，进而得到FBAR的谐振频率偏移量，最终获得BAW传感器感测到的待测物理量。文献[6]针对工作频率范围为2.690～2.710 GHz的BAW加速度计表头设计了所需的读出电路。然后，根据六端口电路自身要求[1]，得知在工作频率范围2.690～2.710 GHz内：|Sk1|＜10dB，k=2，3，4，5，6；|Sk2|＜10 dB，k=3，5，6；|S42|＞20dB，其中Sij是六端口网络的散射参数。

2　工艺误差分析

如图3所示的微带六端口网络[8]是本文工艺误差影响分析的对象。微带线的工艺误差包括微带金属导线的宽度误差和厚度误差，因此以下将从这两个方面进行分析。

图2　复平面上关于Γ的相交圆

利用射频仿真软件（advanced design system，ADS）对图3（a）的微带线六端口网络进行等效电路仿真。图4为该六端口网络的仿真结果。图4（a）为理想工艺下，端口1到端口1，2，3，4，5，6的S参数曲线；图4（b）为理想工艺下，端口2到端口2，3，4，5，6 的S参数曲线。

理想工艺下S参数曲线的部分仿真结果如表1所示。由表可知，在2.641～2.740 GHz频段内，端口1到端口2，3，…，6的传输性能满足六端口网络的要求（即有|S21|＜10 dB、|S31|＜10 dB、|S41|＜10 dB、|S51|＜10dB和|S61|＜10dB）；端口2到端口3、5和6的传输性能，以及到端口4的隔离性能，也满足六端口网络的要求（即有|S32|＜10dB、|S52|＜10dB、|S62|＜10dB和|S42|＞20dB）。由图4中可知，在2.641～2.740 GHz频段内S参数曲线大致具有连续性和递增或递减性，只需频段的上下限满足六端口网络要求，其频段内的点也必然满足要求，故在表1中只列出了上下限两点的S参数取值，下文同理。

图3　微带六端口网络

图4　理想条件下六端口网络仿真的S参数曲线

当制作工艺存在误差且导致金属导体线宽整体增加50 μm时，部分重要的S参数曲线仿真结果如表2所示。此时，六端口网络的工作频率范围为2.645～2.724 GHz。

当制作工艺存在误差且导致金属导体线宽整体减小50 μm时，部分重要的S参数曲线的仿真结果如表3所示。此时，六端口网络的工作频率范围为2.634～2.753 GHz。

当制作工艺存在误差且导致金属导体厚度整体增加5μm时，部分重要的S参数曲线的仿真结果如表4所示。此时，六端口网络的工作频率范围为2.644～2.742 GHz。

当制作工艺存在误差且导致金属导体厚度整体减小5μm时，部分重要的S参数曲线的仿真结果如表5所示。此时，六端口网络的工作频率范围为2.639～2.739 GHz。

综上所述，金属导线宽度增大与减小50μm对工作频率范围的影响较大，且导线宽度增大则工作频率范围减小，导线宽度减小则工作频率范围增大，但仍满足如图3所示的微带六端口网络工作频率范围为2.690～2.710 GHz的BAW加速度计表头读出电路的要求；金属导体厚度在工艺误差为5μm时对工作频率范围的影响很小，可以忽略不计。

表1　理想条件下的仿真结果dB

表2　金属导线宽度增加50μm的仿真结果　dB

表3　金属导线宽度减小50μm的仿真结果　dB

表4　金属导体厚度增加5μm的仿真结果　dB

表5　金属导体厚度减小5μm的仿真结果　dB

3　结束语

针对基于微带六端口反射计的体声波传感器读出电路进行了工艺误差影响分析，包括金属导线宽度误差和厚度误差两方面：金属导线宽度增大与减小50 μm对工作频率范围的影响较大，且随导线宽度增大工作频率范围减小，导线宽度减小工作频率范围增大，但仍满足文献[7]中工作频率范围为2.690～2.710 GHz的BAW加速度计表头读出电路的要求；金属导体厚度在工艺误差为5μm时对工作频率范围的影响很小，几乎可以忽略不计。本文采用ADS的射频等效电路仿真分析结果表明，由于体声波传感器的读出电路对工作带宽的要求并不高，微带六端口网络用于体声波传感器读出电路有极好的工艺健壮性。

参考文献

[1] ENGEN G F. The six-port reflectometer: an alternative network analyzer[J]. IEEE Trans on Microwave Theory & Techniques，1977，25（12）：1075-1080.

[2] ENGEN G F. An improved circuit for implementing the six-port technique of microwave measurements[J]. IEEE Trans on Microwave Theory&Techniques，1977，25（12）：1080-1083.

[3] KOELPIN V G，LAEMMLE B. The six-port in modern society [J]. IEEETrans. on Microwave Theory & Techniques，2010，11（7）：35-43.

[4] MAJER N，HARING J，WIESER V. DOA estimation by six-portreflectometerarray[C]∥Proceedings of the 17th IEEE International Conference，2007：1-4.

[5] WEI M D，CHEN Y T，QAYYUM S，et al. Wideband six -port receiver using elliptical microstrip-slot directional couplers[C]∥Proceedings of IEEE Radio and Wireless Symposium（RWS），2015：10-12.

[6]黄振华，高杨，蔡洵，等.基于六端口反射计的体声波传感器读出电路[J].压电与声光，2015（6）：1066-1070.

[7] HUMBERTO C，JOSÉ A P，JOSEP M，et al. Highfrequency sensor technologies for inertial force detection based on thin-film bulk acoustic wave resonators（FBAR）[J]. Microelectronic Engineering，2009，86（4-6）：1254-1257.

[8] LI C，ZHANG H，WANG P. A novel six-port circuit based on four quadrature hybrids[J]. International Journal of RF and Microwave Computer -Aided Engineering，2010，20（1）：128-132.

（编辑：李刚）

Process robustness analysis on microstrip six-port network

HUANG Zhenhua1，2，GAO Yang2，3，CAI Xun1，4
（1. School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2. Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China；3. National Key Laboratory of Fundamental Science of Micro/Nano-Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China；4. Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems of Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract:To ensure that the microstrip six-port network is substituted for the vector network analyzer in detecting RF output signals from bulk acoustic wave sensors，the authors have analyzed the effect of the width error and the thickness error of a microstrip metal wire on the operating bandwidth of the microstrip six-port network. ADS software was used to analyze the S parameters of the network equivalent circuit. The results show that the width of the microstrip metal wire has a great influence on the operating bandwidth of the network while the influence of the thickness is very small and can almost be neglected. As the read-out circuit of the bulk acoustic wave sensor does not require much of the operating bandwidth，the microstrip six-port network can be used for the read-out circuit of the sensor because of its high process robustness.

Keywords:six-port network；process robustness；bulk acoustic wave sensor；read-out circuit；vector network analyzer

通讯作者：高杨（1972-），男，四川绵阳市人，研究员，博士，主要从事微电子机械系统研究。

作者简介：黄振华（1989-），男，湖南娄底市人，硕士研究生，专业方向为射频微电子机械系统。

基金项目：国家自然科学基金（61574131）；中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室基金（2014ZA001）；西南科技大学特殊环境机器人技术四川省重点实验室开放基金（14zxtk01）；重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室访问学者基金（2013MS04）；中国工程物理研究院电子工程研究所创新基金（S20141203）；西南科技大学研究生创新基金（15YCX122，15YCX123，15YCX125）

收稿日期：2015-07-30；收到修改稿日期：2015-09-09

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.005

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）02-0024-04