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

Resumen Técnico: Diseño Sistemático de Acopladores Híbridos de 180° de Microcinta de Banda Ancha mediante una Nueva Topología

Planteamiento del Problema
Los acopladores híbridos de 180° son componentes esenciales en sistemas de microondas y RF, utilizados en amplificadores balanceados, reflectómetros y redes de formación de haces para proporcionar combinaciones de señales en fase ($\Sigma$) y fuera de fase ($\Delta$). Aunque el acoplador de tipo rat-race convencional es ampliamente utilizado, este sufre limitaciones inherentes: un ancho de banda estrecho debido a las líneas de transmisión de cuarto de longitud fija y un gran tamaño físico. Aunque se han propuesto diversas alternativas —incluyendo estructuras de múltiples secciones, geometrías fractales e implementaciones multicapa—, muchas soluciones existentes aún enfrentan compromisos entre el ancho de banda, la complejidad de fabricación, las geometrías no planas o la necesidad de extensas interconexiones de vías. Existe la necesidad de acopladores de 180° compactos y de banda ancha que utilicen tecnología de microcinta planar de una sola capa simple, manteniendo al mismo tiempo una alta aislamiento y un bajo desequilibrio de amplitud y fase.

Metodología
Los autores proponen una nueva topología sistemática para la realización de acopladores híbridos de 180° de banda ancha basada en la combinación de divisores de potencia en fase, divisores de potencia fuera de fase y redes de desplazamiento de fase. El marco teórico se establece utilizando un diagrama de bloques generalizado que comprende un desplazador de fase de 180° de cuatro puertos y cuatro divisores de potencia en fase. El principio de funcionamiento se basa en el análisis del flujo de señales donde:

• La excitación en el puerto $\Delta$ resulta en señales que se dividen, se desplazan de fase 180° y se recombinan para producir salidas fuera de fase en los puertos 2 y 3, mientras que la interferencia destructiva aísla el puerto $\Sigma$.
• La excitación en el puerto $\Sigma$ crea una red de división de potencia en fase, entregando señales de igual amplitud y fase a los puertos 2 y 3, mientras que la interferencia destructiva aísla el puerto $\Delta$.

Para validar esta topología, se diseñaron, fabricaron y probaron dos implementaciones distintas de microcinta de una sola capa en un sustrato Rogers RO4003C ($\epsilon_r = 3.38$, $h = 0.508$ mm):

1. Trabajo I (Basado en Wilkinson): Este diseño integra un divisor de potencia fuera de fase ultra de banda ancha (UWB) compacto (utilizando transiciones de microcinta a línea de ranura), un nuevo divisor de potencia en fase UWB compacto (usando parches elípticos y ranuras rectangulares) y dos divisores de potencia Wilkinson (WPD). Esta configuración elimina la necesidad de capas de sustrato adicionales presentes en iteraciones anteriores, logrando una estructura completamente planar.
2. Trabajo II (Basado en cinco puertos): Para mejorar aún más la compacidad y el ancho de banda, los divisores Wilkinson del primer diseño fueron reemplazados por una novedosa configuración de divisor de potencia de cinco puertos basada en líneas de microcinta paralelas con estobas rectangulares. Esta estructura utiliza una ranura en el plano de tierra para el acoplamiento electromagnético entre los puertos $\Sigma$, 2 y 3.

Ambos diseños fueron optimizados usando Ansoft HFSS, y se fabricaron y midieron prototipos para verificar los resultados de la simulación.

Contribuciones Clave

• Topología Novedosa: Introducción de un marco generalizado que combina sistemáticamente divisores de potencia y desplazadores de fase específicos para crear una familia de híbridos de 180° con características flexibles de ancho de banda y rendimiento.
• Implementación de Capa Única: Realización de acopladores de microcinta de una sola capa y totalmente plana que eliminan la complejidad de las estructuras multicapa, los sustratos suspendidos o el uso extensivo de vías.
• Innovación de Componentes: Desarrollo de un divisor de potencia en fase compacto UWB y una novedosa configuración de divisor de potencia de cinco puertos específicamente diseñada para la integración en la topología híbrida.
• Flexibilidad de Diseño: Demostración de que la topología puede adaptarse para compensar entre el tamaño del circuito y el ancho de banda fraccional seleccionando diferentes bloques de construcción constitutivos (por ejemplo, WPDs frente a divisores de cinco puertos).

Resultados
Ambos acopladores propuestos demostraron una operación de banda ancha y un excelente acuerdo entre los resultados simulados y medidos:

• Rango de Frecuencia: Ambos diseños operan efectivamente en el rango de 4 a 9 GHz. El Trabajo II extendió el ancho de banda fraccional medido al 87% (3.5–9.5 GHz), una mejora sobre el 73% del Trabajo I.
• Pérdida de Retorno: Las pérdidas de retorno de entrada en los puertos $\Sigma$ y $\Delta$ fueron mejores que 12 dB a través de las bandas de operación.
• Aislamiento: El aislamiento entre los puertos de entrada ($\Sigma$ y $\Delta$) superó los 30 dB, mientras que el aislamiento entre los puertos de salida se mantuvo mejor que 15 dB en toda la banda.
• Equilibrio de Amplitud y Fase: El desequilibrio de amplitud fue bajo (dentro de $\pm 0.5$ dB a $\pm 1$ dB). La desviación de fase respecto a la respuesta ideal de 0° (en fase) y 180° (fuera de fase) se mantuvo aproximadamente dentro de $\pm 5^\circ$ a $\pm 10^\circ$.
• Compacidad: El Trabajo II logró una reducción de la huella de aproximadamente el 34% en comparación con el Trabajo I, con dimensiones de 37.6 mm $\times$ 37 mm, manteniendo una configuración de capa única.

Significancia
El artículo afirma que la topología propuesta ofrece una combinación favorable de amplio ancho de banda, tamaño compacto y simplicidad de fabricación. Al evitar estructuras multicapa e interconexiones de vías complejas, los diseños se presentan como candidatos atractivos para la integración en sistemas modernos de front-end de microondas y RF. El trabajo valida que una combinación sistemática de técnicas específicas de división de potencia y desplazamiento de fase puede producir híbridos de 180° de alto rendimiento sin los inconvenientes de tamaño y complejidad asociados con las estructuras tradicionales o las estructuras avanzadas reportadas anteriormente. La flexibilidad de la topología se destaca como una base práctica para el desarrollo de futuros acopladores de banda ancha con requisitos de rendimiento personalizados.