Systematic Design of Wideband Single-Layer Microstrip 180° Hybrid Couplers Using a Novel Topology

Technische Zusammenfassung: Systematisches Design eines breitbandigen einlagigen Mikrostreifen-180°-Hybridkopplers unter Verwendung einer neuartigen Topologie

Problemstellung
180°-Hybridkoppler sind essenzielle Komponenten in Mikrowellen- und HF-Systemen, die in balancierten Verstärkern, Reflektometern und Beamforming-Netzwerken eingesetzt werden, um in-phase ($\Sigma$) und gegenphasige ($\Delta$) Signalkombinationen bereitzustellen. Während der konventionelle Rat-Race-Koppler weit verbreitet ist, leidet er unter inhärenten Einschränkungen: einer schmalen Bandbreite aufgrund fester Viertelwellen-Übertragungsleitungen sowie einer großen Baugröße. Obwohl verschiedene Alternativen vorgeschlagen wurden – einschließlich mehrstufiger Strukturen, fraktaler Geometrien und mehrschichtiger Implementierungen –, stehen viele bestehende Lösungen immer noch vor Zielkonflikten hinsichtlich Bandbreite, Fertigungskomplexität, nicht-planarer Geometrien oder dem Bedarf an umfangreichen Via-Verbindungen. Es besteht weiterhin ein Bedarf an kompakten, breitbandigen 180°-Hybriden, die eine einfache, einlagige planare Mikrostreifen-Technologie nutzen und gleichzeitig eine hohe Isolation sowie eine geringe Amplituden- und Phasenungleichgewichtigkeit aufweisen.

Methodik
Die Autoren schlagen eine neuartige, systematische Topologie zur Realisierung von breitbandigen 180°-Hybridkopplern vor, die auf der Kombination von in-phase Leistungsteilern, gegenphasigen Leistungsteilern und Phasenverschiebernetzwerken basiert. Der theoretische Rahmen wird durch ein generalisiertes Blockdiagramm etabliert, das aus einem vierportigen 180°-Phasenschieber und vier in-phase Leistungsteilern besteht. Das Funktionsprinzip basiert auf der Signalflussanalyse, bei der:

• die Anregung am $\Delta$-Port dazu führt, dass Signale aufgeteilt, um 180° phasenverschoben und wieder kombiniert werden, um gegenphasige Ausgänge an den Ports 2 und 3 zu erzeugen, während destruktive Interferenz den $\Sigma$-Port isoliert.
• die Anregung am $\Sigma$-Port ein in-phase Leistungsteilungnetzwerk erzeugt, das Signale mit gleicher Amplitude und Phase an die Ports 2 und 3 liefert, während destruktive Interferenz den $\Delta$-Port isoliert.

Um diese Topologie zu validieren, wurden zwei unterschiedliche einlagige Mikrostreifen-Implementierungen auf einem Rogers RO4003C-Substrat ($\epsilon_r = 3,38$, $h = 0,508$ mm) entworfen, gefertigt und getestet:

1. Arbeit I (Wilkinson-basiert): Dieser Entwurf integriert einen kompakten ultra-breitbandigen (UWB) gegenphasigen Leistungsteiler (unter Verwendung von Mikrostreifen-zu-Slotline-Übergängen), einen neuartigen kompakten UWB in-phase Leistungsteiler (unter Verwendung von elliptischen Patches und rechteckigen Slots) und zwei Wilkinson-Leistungsteiler (WPDs). Diese Konfiguration eliminiert die Notwendigkeit zusätzlicher Substratschichten, die in früheren Iterationen vorhanden waren, und erreicht eine vollständig planare Struktur.
2. Arbeit II (Fünfport-basiert): Um die Kompaktheit und Bandbreite weiter zu erhöhen, wurden die Wilkinson-Teiler aus dem ersten Design durch eine neuartige Fünfport-Leistungsteiler-Konfiguration auf Basis von parallelen Mikrostreifenleitungen mit rechteckigen Stubs ersetzt. Diese Struktur nutzt einen Ground-Plane-Slot für die elektromagnetische Kopplung zwischen den Ports $\Sigma$, 2 und 3.

Beide Designs wurden mit Ansoft HFSS optimiert, prototypisch gefertigt und gemessen, um die Simulationsergebnisse zu verifizieren.

Zentrale Beiträge

• Neuartige Topologie: Einführung eines generalisierten Frameworks, das spezifische Leistungsteiler und Phasenverschieber systematisch kombiniert, um eine Familie von 180°-Hybriden mit flexiblen Bandbreiten- und Leistungseigenschaften zu erstellen.
• Einlagige Implementierung: Realisierung vollständig planarer, einlagiger Mikrostreifen-Koppler, die die Komplexität mehrschichtiger Strukturen, suspendierter Substrate oder umfangreicher Via-Nutzung eliminieren.
• Komponenten-Innovation: Entwicklung eines kompakten UWB in-phase Leistungsteilers und einer neuartigen Fünfport-Leistungsteiler-Konfiguration, die speziell für die Integration in die Hybrid-Topologie maßgeschneidert sind.
• Design-Flexibilität: Demonstration, dass die Topologie genutzt werden kann, um zwischen Schaltkreisgröße und fraktionaler Bandbreite abzuwägen, indem verschiedene konstituierende Bausteine (z. B. WPDs vs. Fünfport-Divider) ausgewählt werden.

Ergebnisse
Beide vorgeschlagenen Koppler zeigten einen breitbandigen Betrieb und eine exzellente Übereinstimmung zwischen simulierten und gemessenen Ergebnissen:

• Frequenzbereich: Beide Designs arbeiten effektiv im Bereich von 4–9 GHz. Arbeit II erweiterte die gemessene fraktionale Bandbreite auf 87 % (3,5–9,5 GHz), was eine Verbesserung gegenüber den 73 % von Arbeit I darstellt.
• Rückflussdämpfung: Die Eingangs-Rückflussdämpfungen an den $\Sigma$- und $\Delta$-Ports lagen über den gesamten Betriebsbändern besser als 12 dB.
• Isolation: Die Isolation zwischen den Eingangsports ($\Sigma$ und $\Delta$) lag über 30 dB, während die Isolation zwischen den Ausgangsports über das gesamte Band besser als 15 dB blieb.
• Amplituden- und Phasenbalance: Das Amplitudenungleichgewicht war gering (innerhalb von $\pm 0,5$ dB bis $\pm 1$ dB). Die Phasenabweichung von der idealen 0°- (in-phase) und 180°- (gegenphasig) Antwort wurde innerhalb von etwa $\pm 5^\circ$ bis $\pm 10^\circ$ gehalten.
• Kompaktheit: Arbeit II erreichte eine Reduzierung der Grundfläche um etwa 34 % im Vergleich zu Arbeit I, mit Abmessungen von 37,6 mm $\times$ 37 mm, wobei die einlagige Konfiguration beibehalten wurde.

Bedeutung
Das Paper behauptet, dass die vorgeschlagene Topologie eine günstige Kombination aus breiter Bandbreite, kompakter Größe und einfacher Fertigung bietet. Durch den Verzicht auf mehrschichtige Strukturen und komplexe Via-Verbindungen werden die Designs als attraktive Kandidaten für die Integration in moderne Mikrowellen- und HF-Front-End-Systeme präsentiert. Die Arbeit validiert, dass eine systematische Kombination spezifischer Leistungsteilungs- und Phasenverschiebungstechniken leistungsstarke 180°-Hybride liefern kann, ohne die mit traditionellen oder zuvor berichteten fortgeschrittenen Strukturen verbundenen Nachteile hinsichtlich Größe und Komplexität aufzuweisen. Die Flexibilität der Topologie wird als praktische Grundlage für die Entwicklung zukünftiger Breitbandkoppler mit kundenspezifischen Leistungsanforderungen hervorgehoben.